Dynamische Robotik Baseball-Roboter: Trägheitsarme Antriebe machen Roboterarme beweglicher

Anbieter zum Thema

FAULHABER Antriebssysteme

MicroConsult Academy GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

AthenaZero wirft und fängt Baseballbälle und schlägt Tennisbälle. Dahinter steckt eine spezielle Antriebsarchitektur: Niedrig übersetzte Getriebe, verlagerte Motoren und eine schnelle Regelung machen die Arme zugleich kraftvoll und nachgiebig.

Ein Roboterarm, der einen Baseball abfängt, muss dessen Flugbahn in Sekundenbruchteilen treffen und den Aufprall abfedern. Wie sich solche Bewegungen technisch umsetzen lassen, zeigt das US-amerikanische RAI Institute mit AthenaZero. Der fest montierte Roboter besitzt zwei Arme mit jeweils sieben Freiheitsgraden und dreifingrige Hände. Die Forscher beschreiben ihre Entwicklung in einer im September 2026 veröffentlichten Studie.

Die Herausforderung liegt vorwiegend in der Massenträgheit. Herkömmliche Industrieroboter nutzen häufig hohe Getriebeübersetzungen, um große Drehmomente zu erzeugen. Dadurch steigt allerdings auch die am Gelenk wirksame Trägheit der Motoren. Sie wächst mit dem Quadrat der Übersetzung. Trifft eine äußere Kraft auf den Roboterarm, lässt er sich entsprechend schwerer auslenken.

Niedrige Getriebeübersetzungen verringern die Trägheit

AthenaZero setzt deshalb auf sogenannte Quasi-Direct-Drive-Antriebe mit rahmenlosen Elektromotoren und vergleichsweise niedrigen Getriebeübersetzungen. An Schulter und Ellenbogen verwenden die Entwickler überwiegend Planetengetriebe mit einer Übersetzung von 5:1. Die Schultergelenke erreichen damit jeweils bis zu 90 Nm Spitzendrehmoment.

Zugleich verlagern die Forscher schwere Antriebskomponenten möglichst nahe an den Rumpf. Ein Zahnriemen überträgt beispielsweise die Bewegung des Ellenbogenantriebs, während die Handgelenkmotoren ebenfalls im Ellenbogenbereich sitzen. Die Fingermotoren befinden sich sogar im Rumpf und bewegen die Finger über 1,8 Meter lange Bowdenzüge. Damit sinkt die Masse, die der Roboter bei schnellen Bewegungen beschleunigen oder bei einem Stoß abbremsen muss.

EtherCAT und Stromregelung mit 16 kHz

Insgesamt steuern 22 elektrische Antriebe 27 Gelenkfreiheitsgrade. Die Entwickler verwenden Servoregler vom Typ Copley Nano NES. Diese regeln den Motorstrom mit 16 kHz sowie Position und Geschwindigkeit mit 4 kHz. Über EtherCAT tauschen die Regler im 1-kHz-Takt Sollwerte und Messdaten mit dem übergeordneten Rechner aus.

Die Steuerung kann die Reglerverstärkungen während der Bewegung verändern und damit beeinflussen, wie stark die Gelenke einer äußeren Kraft widerstehen. So kann der Arm beim Fangen nachgeben und für einen Wurf gezielt Drehmoment aufbauen. Das Drehmoment schätzt die Software aus dem Motorstrom. Separate Gelenkdrehmomentsensoren benötigt das System dafür nicht.

Geringere Aufprallkräfte im Pendelversuch

Wie stark die Konstruktion die wirksame Trägheit senkt, untersuchten die Forscher mit einem ein Kilogramm schweren Pendel. Beide Roboter arbeiteten dabei im Schwerkraftkompensationsmodus. Beim seitlichen Aufprall auf das Handgelenk von AthenaZero maßen die Forscher eine Spitzenkraft von 124 N, beim Franka FR3 waren es 208 N. AthenaZero wich beim Kontakt um rund 115 mm aus, der Vergleichsroboter lediglich um 14 mm.

Auch bei den Baseballversuchen zeigte das System seine Dynamik. Einen regulären Baseball warf AthenaZero zielgenau mit 21,4 m/s, einzelne Fänge gelangen bei 18,3 m/s. Mit einem Schläger traf der Roboter zudem 27 von 33 zugespielten Tennisbällen. Allerdings verfolgte ein externes OptiTrack-System die Ballflugbahn mit 240 Hz. Eine vollständig autonome Ballverfolgung mit bordeigenen Kameras belegen diese Versuche daher nicht.

Für industrielle Anwendungen bleiben weitere technische Grenzen: Die geringere passive Steifigkeit erschwert präzise Positionierungsaufgaben. Auch die thermische Belastbarkeit schränkt den Einsatz ein. Bei vollständig ausgestrecktem Arm kann AthenaZero Lasten über 2 kg nicht dauerhaft statisch halten. Ab 80 °C Motortemperatur greifen softwareseitige Schutzmaßnahmen. AthenaZero zeigt damit einen Ansatz für schnelle, kontaktintensive Roboterbewegungen, ersetzt aber noch keinen konventionellen Industrieroboter. (mc)

(ID:50985674)