Leistungselektronik für die Robotik 97 Prozent Wirkungsgrad: Humanoid lädt per Induktion über die Füße

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Friedrich-Alexander- Universität Erlangen-Nürnberg

Fraunhofer-Inst. für Integrierte Systeme und Bauelemente (IISB)

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Das Fraunhofer IISB hat ein kabelloses Ladesystem für Roboter entwickelt, das direkt in die Füße integriert wird. Über ein intelligentes Induktionsfeld laden die Energiespeicher während des Betriebs hocheffizient nach.

Mobile und humanoide Roboter beziehen ihre Energie derzeit meist aus Batterien, die nach wenigen Stunden Betrieb erschöpft sind. Ein klassischer Ladevorgang über konduktive Steckkontakte ist im industriellen Umfeld jedoch anfällig für Korrosion und mechanischen Verschleiß. Alternativen wie Batteriewechselstationen zwingen den Roboter dazu, seine eigentliche Aufgabe zu unterbrechen und gesonderte Bereiche anzusteuern. Das Fraunhofer IISB setzt deshalb auf eine induktive Energieübertragung. Dr. Bernd Eckard leitet in Erlangen die Abteilung Leistungselektronik am IISB und präsentierte seine Lösung in einem Vortrag auf den Humanoid Days der Uni Erlangen.

„Ohne effiziente Energieversorgung und Leistungsumwandlung bewegt sich halt kein Roboter. Auch wenn er die schönsten Aktoren hat und auch die neueste Software. Er braucht trotzdem noch Energie“, so Dr. Eckardt. Das Konzept seines Forschungsinstituts verlagert die Empfängerspulen direkt in die Sohlen der Roboterfüße. Im Boden des Arbeitsbereichs verbauen die Entwickler parallel ein Array aus Sendespulen. Dieses Feld funktioniert nach demselben Prinzip wie ein modernes Multi-Zonen-Induktionskochfeld. Das System erkennt die genaue Position des Roboters und aktiviert ausschließlich die Spulen, auf denen der Fuß des Roboters tatsächlich steht.

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Spulen im Fuß übertragen bis zu 14 Kilowatt

Eine einzelne Empfängerspule misst etwa zwölf Zentimeter im Durchmesser. Das entspricht exakt der Breite eines typischen Roboterfußes, wodurch sich die Komponenten mechanisch leicht integrieren lassen. Trotz dieser kompakten Abmessungen überträgt eine Spule eine Leistung von 3,6 Kilowatt. Verbauen die Ingenieure zwei Spulen pro Fuß, kann ein Roboter über beide Beine theoretisch bis zu 14 Kilowatt Ladeleistung beziehen.

Technisch basiert die kontaktlose Energieübertragung auf einem sogenannten CLLC-Resonanzwandler. Im Gegensatz zum induktiven Laden von Elektroautos, bei dem ein großer Luftspalt zu überwinden ist, steht ein Roboter direkt auf dem Boden. Der Abstand in der Z-Achse entfällt damit nahezu vollständig. Das System erzielt dadurch hohe Koppelfaktoren zwischen 0,5 und 0,6. Diese starke magnetische Kopplung reduziert den Kupferbedarf für die Wicklungen, was die Spulen leichter und kostengünstiger in der Fertigung macht.

Hoher Wirkungsgrad verhindert thermische Probleme

Die optimierte Kopplung und der Einsatz der Resonanzwandler wirken sich direkt auf die Gesamteffizienz aus. Die Energieübertragung vom Boden in den Gleichstromkreis des Roboters arbeitet mit einem Wirkungsgrad von 97 Prozent. Damit erreicht das induktive System die gleiche Effizienz wie ein klassisches, kabelgebundenes Netzteil.

Dieser hohe Wirkungsgrad verhindert, dass große Mengen an Verlustleistung in Form von Abwärme entstehen. Daher müsse man das System auch nicht kühlen. Bei induktiv ladenden Smartphones liegt der Wirkungsgrad oft nur bei 80 bis 85 Prozent, weshalb diese Geräte spürbar heißer werden.

Neue Freiheiten beim Roboter-Design

Die Möglichkeit, den Roboter kontinuierlich während seiner Arbeit oder an festen Arbeitsstationen aufzuladen, verändert die grundlegende Systemarchitektur. Die Konstrukteure können den internen Energiespeicher völlig neu dimensionieren. Eckardt ordnet das Potenzial für das mechanische Design ein: „Wenn Sie die ganze Zeit im Betrieb des Roboters eigentlich die Energie von außen zuführen, können wir theoretisch komplett auf den Energiespeicher on board verzichten oder ihn zumindest noch mal sehr klein auslegen, was aus unserer Sicht auch nennenswert Gewicht spart.“

Eine reduzierte Batteriemasse senkt nicht nur Materialkosten, sondern verringert auch die Energie, die der Roboter allein für die Bewegung seines eigenen Gewichts aufwenden muss. Zudem arbeitet das Ladesystem vollständig interoperabel. Ein produzierendes Unternehmen kann Induktionsstreifen oder sogenannte E-Roads an den Hauptverkehrswegen installieren. Diese Infrastruktur versorgt dann sowohl humanoide Roboter als auch herkömmliche fahrerlose Transportsysteme flexibel und verschleißfrei mit Energie.  (mc)

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