Motoren The Walking Robot: Motoren treiben Knöchel-, Knie- und Hüftgelenk an

Warum es so schwierig ist einen Roboter mit menschenähnlichem Gang zu entwickeln, zeigen Studenten aus Texas an ihrem Roboter Amber 2, dessen Beine mit Motoren von Maxon Motor ausgestattet sind.

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Der Roboter Amber 2 wurde unter Verwendung hochwertiger und präziser Bauteile gefertigt, um ein natürlicheres Gehverhalten als andere Roboter zu erzielen.
Der Roboter Amber 2 wurde unter Verwendung hochwertiger und präziser Bauteile gefertigt, um ein natürlicheres Gehverhalten als andere Roboter zu erzielen.
(Bild: Texas A&M University)

Wird ein Mensch mitten in seiner Schrittbewegung gestoppt, fällt er meist hin. Das liegt an der dynamischen Gangart, mit der sich Menschen fortbewegen. Soll diese menschliche Gangart nun auf einen Roboter übertragen werden, muss die Frage geklärt werden: Wie bleibt der Roboter jederzeit im Gleichgewicht?

Bei den meisten, heute gebauten Robotern kommt eine Fortbewegungsmethode zum Einsatz, die als quasistatische Fortbewegung oder Zero-Moment-Point-Gehtechnik (ZMP) bezeichnet wird. Dies besagt, dass zum Zeitpunkt des Aufsetzens des Fußes kein horizontales Trägheitsmoment anliegt. Wird der Roboter mitten in seiner Gehbewegung ausgeschaltet, bleibt er also aufrecht. Er befindet sich in einem statisch quasistabilen Gleichgewicht. Der menschliche Gang funktioniert anders und so besteht die Herausforderung, den dynamisch gehenden Roboter jederzeit in aufrechter Position halten zu können.

Roboter mit vielen Einsatzmöglichkeiten

Professor Dr. Aaron Ames vom A&M Bipedal Experimental Robotics Lab (Amber) in Texas leitet ein Team von Studenten, das sich die Entwicklung, Simulation und Herstellung eines solchen Roboters mit menschlichem Gang zur Aufgabe gemacht hat. Der Amber 2 ist ein bedeutendes Projekt, denn denkbar Einsätze sind vielseitig: in der Raumfahrt, im Katastrophenschutz, in Militäroperationen, zur Unterstützung älterer Menschen, in der Rehabilitationsmedizin und in der Prothetik. Das Team fand heraus, dass sich durch den Einsatz spannungsabhängiger Regler Rückmeldungen leichter in die Konstruktion integrieren lassen und so eine dynamischere Gehtechnik erzielt werden kann.

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Dr. Ames erklärt: „Die erste Hürde ist die mathematische Gestaltung eines derart hochdynamischen Systems. Das nächste Problem ist, die Regler und andere Hardware so zu bauen, dass sie machen, was wir wollen. Wir haben uns entschieden den Amber 2 ähnlich wie unseren ersten Roboter von Grund auf neu zu konstruieren. Das führte von den ersten CAD-Zeichnungen über mathematische Analyse und die Simulation und Konstruktion der Regler bis zur Steuerung der endgültigen Ausführung auf oberster Ebene mit Labview von National Instruments.“ Jedes Element in der Konstruktion musste genau durchdacht, mit Computern analysiert und dann bestellt werden. „Wir konnten unsere Zahlen nicht einfach Pi mal Daumen schätzen“, erklärt Dr. Ames. „Vor allem nicht für die mechanischen Abläufe in den Beinen des Roboters.“ Die jungen Forscher erkannten, dass sie Motoren und Getriebe verwenden mussten, die Drehmomente zwischen 8 und 12 Nm und Drehzahlen von 5 bis 6 rad/s lieferten. Dr. Ames erklärt weiter: „Bei diesen geringen Drehzahlen war unsere vorrangige Sorge, dass Rastmomente den reibungslosen Ablauf stören könnten.“ Das Team entschied sich deshalb in der endgültigen Version des Roboters für Motoren von Maxon Motor. „Im Zuge unserer Arbeit fanden wir heraus, dass deren Datenblätter sehr genau sind“, ergänzt er.

Hall-Sensoren für jeden Motor

Im Amber 2 kommen in jedem Bein drei Motoren und drei Winkelgetriebe zum Einsatz, jeweils eins für Knöchel-, Knie- und Hüftgelenk. Zu Beginn verwendete das Team die Motoren in Verbindung mit Winkelgetrieben eines anderen Herstellers. Das hohe Drehmoment, das der Motor auf das Getriebe übertrug und die durch Versatz und/oder lose Verbindungen zwischen den Komponenten bedingten Vibrationen führten jedoch dazu, dass die Gelenke nicht lange hielten. „Wir erkannten, dass wir ein einzelnes, nahtloses Paket benötigten, so dass wir Gelenkmechanismen mit möglichst engen Toleranzen einsetzen konnten“, erläutert Dr. Ames. Wenn der Fuß des Roboters den Boden berührt, müssen die Motoren beim Auftreffen ihre Drehrichtung umkehren. Dadurch wirkt auf die Motoren ein gewaltiges Drehmoment.

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Aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit kommen im Amber-Roboter bürstenlose Motoren zum Einsatz. Die elektronisch kommutierten Motoren haben eine besonders lange Lebensdauer, da sie ohne mechanische Bürsten auskommen. In jeden Motor sind Hall-Sensoren eingebaut, die Rückmeldungen an die Steuerelektronik geben. Der Motor ist so konstruiert, dass sich die Spulen außerhalb des Rotors befinden. Auf diese Weise werden eine gute Wärmeableitung und eine hohe Überlastkapazität erreicht. Jeder Motor ist in einem Gehäuse aus rostbeständigem Stahl untergebracht. Je nach Anforderung und Selektion des Kunden sind die Modelle in verschiedenen Längen und Durchmessern erhältlich – typische Durchmesser reichen von 16 bis 40 mm und die üblichen Längen von 24 bis 88 mm. Der Bereich der Umgebungstemperatur reicht von –40 bis 100 °C. Zudem sind in den Motoren von Maxon Hochenergie-Magnete aus Neodym verbaut. Dadurch lassen sich eine Anlaufzeitkonstante von lediglich 5 ms und eine geringe Baugröße erzielen. Elektronische Kommutierung soll das Rauschen auf ein Minimum reduzieren. Um die angestrebten Drehzahlen im Hinblick auf die verfügbare Spannung optimieren zu können, werden die Motoren mit unterschiedlichen Wicklungen angeboten.

Schwerpunkt des Roboters bestimmen

Durch rechtwinklige Gelenke funktioniert der Roboter auf eine natürlichere Art. „Wir hatten bei der Anbringung des Motors direkt am Gelenk zunächst einige Probleme mit der Masseverteilung, die mit den rechtwinkligen Motor-Getriebebaugruppen von Maxon nicht auftraten. Darüber hinaus konnten wir mit dieser Baugruppe den genauen Schwerpunkt des Roboters bestimmen“, erklärt Dr. Ames. Mit den richtigen Gelenkbaugruppen ließ sich das Verhalten der Komponenten sehr gut vorhersagen – eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung der Steuerschnittstelle. Die Art des Zusammenbaus ermöglichte die ruckelfreie Funktion des Motors bei niedrigen Drehzahlen. Für jedes der 6 Gelenke wurden größere Ritzel und eine Kette eingebaut.

Das Team hat sich zum Ziel gesetzt, die Fähigkeiten von radgetriebenen Robotern zu übertreffen. Dazu konzentrieren sich die Forscher auf bereits erhobene Daten, die belegen, dass das menschliche Gehverhalten ähnlich wie ein Masse-Feder-Dämpfer-System funktioniert; eines der einfachsten mechanischen Systeme. Aktuell ist das Team dabei, dieses System durch eine Kombination aus Motoren und Getrieben sowie der zugehörigen Elektronik zu reproduzieren. (sh)

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