DC-Motoren als Muskeln, Sehnen aus Polyethylen

Flexibel bewegbare Arme sind nicht nur bei Robotern eine bewährte Lösung, um Werkzeuge im dreidimensionalen Raum zu bewegen. Bisherige Lösungen bauen aber meist schwer, ein negatives Zusammenspiel aus dem nötigen Antrieb an der Drehachse und der geforderten Stabilität des Armes. Verzichtet man auf die Massenansammlung im bewegten Teil, so sinken die Trägheitskräfte im Arm. Der Armausleger baut leichter und kann dynamischer arbeiten, bei gleich bleibender Stabilität.

Industrieroboterarme hat jeder schon einmal gesehen: massive Konstruktionen für schwere Werkzeuge, die auch selbst einiges an Gewicht auf die Waage bringen. Für viele Anwendungen ist eine solche Konstruktion aber zu schwer. Kleine Lasten an einem Ausleger zu drehen oder zu schwenken, war das Ziel der Entwicklung eines Mehrachsgelenks durch die Experten von igus aus Köln. Gefordert waren hohe Flexibilität bei geringster Masse und einfache Erweiterbarkeit um weitere Achsen.     
Ein neues Konzept mit Mehrachsgelenk aus Kunststoff und Seilzugbetätigung setzt diese Forderungen nun elegant um. Die Seilzüge selbst werden dann am „Schultergelenk“ des Armes durch kompakte, leistungsfähige bürstenlose DC-Servomotoren bewegt. Das vermindert die Massenträgheit im Arm, erlaubt dynamische Bewegungen und eine kleine Bauform des Antriebsblocks.

Bionischer Ansatz

Da ein Entwickler das Rad nicht zweimal erfinden muss, setzten die Ingenieure aus Köln auf eine Weiterentwicklung des bewährten menschlichen Ellbogengelenks. So konnten in einem einzigen Gelenk zwei Freiheitsgrade, nämlich Rotation und Schwenk, zusammengefasst werden. Das sichert eine hohe Präzision der bewegten Teile. Das Gelenk aus Tribokunststoff ist dabei wartungs- und korrosionsfrei sowie elektrisch nicht leitend. Die „Knochen“ des Armes, an die die Gelenke angesteckt werden, sind ebenfalls auf Leichtbau getrimmt. Aluminium, Kohlefaser- und Glasfaser-Kunststoff bieten hohe Steifigkeit und gute Dämpfung von Schwingungen. Wie beim Menschen ist auch bei Roboterarmen dieser Konstruktionsart nicht der Knochen (also das Körperrohr) oder der Muskel (also der Antriebsmotor) der schwächste Punkt, sondern die kraftübertragende „Sehne“. Bei den hochbeanspruchten „Sehnen“, sprich Bowdenzügen, wird daher eine hochabriebfeste und zuglastresistente Faser aus hochkristallinem, hochverstrecktem UHMW-PE (ultra-hoch molekulares Polyethylen) eingesetzt. Mit einer Zugfestigkeit von 3.000 bis 4.000 N/mm² reißt sie unter ihrem Eigengewicht erst bei 400 km Länge.
Mit diesem Aufbau lässt sich ein Last/Eigengewichts-Verhältnis von 1 : 1 erreichen, bei optimierter Bauform sogar unterschreiten. Neben klassischen Bewegungsaufgaben für Arme kann das Gelenk auch für neue Aufgaben wie spezielle Ausleger für Kameras, Sensoren oder Werkzeuge eingesetzt werden, bei denen es auf Leichtbau ankommt. Auch der zukünftige Einsatz in Prothesen ist möglich. Gerade die Trennung von Werkzeug, beweglichem Teil, Steuerungsmodul und eigentlichem Antrieb ist für mobilen Einsatz ideal. Da die aus dem bewegten Teil „ausgelagerten“ Komponenten schon eine Art Gegengewicht zur Armmasse darstellen, baut die Gesamtkonstruktion recht leicht. Für die Präzision ist in jedem Gelenk ein magnetischer Winkelpositionssensor integriert. Zusammen mit den hochdynamischen Antrieben ergibt sich so ein präzise steuerbares Robotermodul.

Dynamisch, kräftig und kompakt

Um auf kleinstem Raum eine möglichst große Anzahl von Seilzügen bedienen zu können, sind kompakte Antriebslösungen nötig. Wird hohe Dynamik, große Kraftausbeute und präzise regelbarer Einsatz gefordert, sind elektronisch kommutierte Servomotoren wie von Faulhaber die beste Wahl. Die kleinen Kompaktantriebe eignen sich dank kleiner bewegter Massen und großem Leistungs-Volumen-Ver­hält­nis ideal für dynamischen Einsatz. Die gute Wärmeabstrahlung gestattet im Kurzzeitbetrieb auch deutliche Über­last gegen­über dem Dauerbetrieb, ein weiterer Vorteil gerade bei schnellen Schwenkbewegungen. Die Betriebsspannung von 24 VDC erlaubt die gerade für mobile Anwendungen wichtige Stromversorgung durch Akkus. Bei 32 mm Durchmesser kann so im 4-Quadranten-Betrieb eine hohe Dauerleistung mit 80 % Wirkungsgrad erzeugt werden. Die 97 mNm Drehmoment der Vier-Pol-Motoren erhöhen ein Planeten­ge­­­triebe auf die für den Armbetrieb nötigen Werte. Je nach Einsatzbereich der Schwenkbewegung erlauben die Planetengetriebe Untersetzungen von 4 : 1 bis 1600 : 1 bzw. 6 bis 20 Nm Dauerdrehmoment bei bis zu 96 % Wirkungsgrad. Das Gehäusematerial Edelstahl widersteht Umwelteinflüssen ebenso gut wie die Kunststoffgelenke und die Seilzüge. Da bürstenlose Antriebe keine Verschleißteile außer der Rotorlagerung kennen, ist eine hohe Lebensdauer über mehr als 10.000 Stunden garantiert. Auch die Präzisionsgetriebe glänzen durch wartungsfreien langen Betrieb. Der Motor ist im Temperaturbereich von –40 bis +100 °C, das Getriebe von –25 bis +90 °C einsetzbar. Beide decken damit Umweltbedingungen von der Arktis bis zu den Tropen und Wüsten ab und dazu auch eine breite Palette an industriellen Einsatzbedingungen.
Moderne Servomotoren sind für vielfältige Anwendungen das Mittel der Wahl, um Bewegung in die Konstruktion zu bringen. Hohe Präzision und lange Lebensdauer bei einfacher Anbindung an die Steuerung erlauben den Einsatz im mobilen Bereich ebenso wie im kompakten Anlagenbau.