Robotik: Mobilität und Geschicklichkeit

Robotertechnologie Teil 2 Robotik: Mobilität und Geschicklichkeit

26.03.2021Autor / Redakteur: Mark Patrick* / Margit Kuther

Roboter werden dem Menschen immer ähnlicher. Sie können sich bewegen und verschiedenste Objekte kontrolliert handhaben. Die Technologie, die bei der Entwicklung von Robotern zum Einsatz kommt, ist den meisten Ingenieuren vertraut, aber ihr Einsatz mag manchen überraschen.

Anbieter zum Thema

FAULHABER Antriebssysteme

MEV Elektronik Service GmbH

Syslogic GmbH

Mouser Electronics Inc.

Robotik: Die Bewegungen von Robotern werden den Menschen immer ähnlicher.
(Bild: Mouser)

Bewegung ist ein Teil der Robotik und stützt sich auf Prinzipien, die vor über 100 Jahren entdeckt wurden. Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Arbeit um. Ingenieure verstehen diesen Vorgang und arbeiten ständig an Verbesserungen, sowohl im Hinblick auf die Funktionalität als auch auf die Effizienz.

Die Motorsteuerung ist ein Bereich, in dem sehr intensiv geforscht wird. Alle führenden Halbleiterhersteller entwickeln neue Systeme, mit denen sich Motoren noch effizienter steuern lassen. Denn quasi jedes bewegliche Teil eines Roboters wird in irgendeiner Form von einem Motor angetrieben.

Einige Roboter haben beispielsweise Bauteile, die dem menschlichen Körper ähnlich sind, wie Arme, Handgelenke und Hände. Zu den wichtigsten verwendeten Bewegungsformen zählen dabei die vertikale, radiale und Rotationsbewegung für den Arm oder die Arme sowie das Nicken, Rollen und Gieren (Rotation um die Hochachse) für die Handgelenk(e).

Auch zur Fortbewegung, also der Fähigkeit, sich von einem Ort zum anderen zu bewegen, sind Motoren erforderlich. Die Größe und Leistung der Motoren variieren dabei enorm, je nach Art der Fortbewegung. Bei einem Roboter, der sich entlang einer Produktionslinie auf Schienen bewegt, können einfache Motoren verwendet werden. Ein Laufroboter bewegt sich mit einer Mechanik, die man als Beine bezeichnen kann.

Eingesetzte Motorentypen in der Robotik

Die verwendeten Motortypen reichen von AC-Motoren, wenn das Drehmoment wichtig ist, bis hin zu Schrittmotoren, wenn mehr Winkelsteuerung erforderlich ist. Dazwischen gibt es DC-Bürstenmotoren, die kostengünstig und unkompliziert, aber auch wenig effizient und verschleißanfällig sind. Die moderne Alternative sind meist bürstenlose DC-Motoren, da sie effizienter sind, wenn sie entsprechend angesteuert werden (siehe unten) und keine Bürsten haben, so dass sie mit der Zeit weniger verschleißen.

In der industriellen Automatisierung werden Roboter seit fast 70 Jahren eingesetzt. Die ersten Roboter verfügten über eine gute Beweglichkeit und konnten einen Arm um eine feste Basis bewegen. Das war ideal, wenn sie an Montagelinien eingesetzt wurden, um Objekte von einer Position zur anderen zu bewegen. Mehr zu diesem Thema lesen Sie im ersten Beitrag der Serie Robotertechnologie, „Roboter: Vom stationären Werkzeug zum smarten mobilen Mitarbeiter“.

Moderne Roboter bieten mehr Möglichkeiten und können auch Objekte bearbeiten, anstatt sie nur zu bewegen. Diese verbesserte Geschicklichkeit basiert auf der Nachahmung der Funktionsweise der menschlichen Hand. Roboterhände verwenden jetzt Sehnen, um Muskeln und Knochen zu verbinden. Im folgenden Abschnitt wird auf einfache Weise beschrieben, in welche Richtung die Forschung geht.

Beispiele für Roboterhände in Aktion

Ein bemerkenswertes Beispiel liefert qbrobotics mit seiner qb Softhand Industry. Das Unternehmen erklärt, dies sei die erste anthropomorphe Roboterhand, die für den Einsatz in industriellen Anwendungen konzipiert wurde. Sie besitzt zwar fünf „Finger“ mit 19 Freiheitsgraden, benötigt aber nur einen Motor zur Steuerung der Sehnen.

Beeindruckend und ein klarer Hinweis auf die Ausrichtung des Unternehmens ist, dass die qb Softhand Industry so konzipiert ist, dass sie mit führenden Herstellern von statischen Robotern „Plug & Play“ eingesetzt werden kann:

Universal Robots

Kuka

Franka Emika

Doosan

Das bedeutet, dass sie die Standard-Hand an bereits vorhandenen Industrierobotern ersetzen und ihnen eine wesentlich größere Reichweite an Geschicklichkeit ermöglichen kann. Mit dieser verbesserten Geschicklichkeit lässt sich der Nutzen in einer Produktionsumgebung bei der Bewältigung von Aufgaben steigern, etwa von der Bestückung und Platzierung, von der Komponentenmontage und der Maschinenbedienung.

Die robotergestützte Maschinenbedienung ist ein Beispiel dafür, wie sich die industrielle Automatisierung entwickelt. Sie bezieht sich auf die Art und Weise, wie zahlreiche Geräte zusammenarbeiten können. Der Roboter, der die Maschinenbedienung übernimmt, ist in der Regel dafür verantwortlich, ein Objekt in eine Position zu bringen, in der der zweite Roboter zusätzliche Operationen ausführen kann.

Roboter übernehmen Aufgaben der Maschinenbedienung

Die Maschinenbedienung ist eine Aufgabe, die typischerweise von einem menschlichen Bediener ausgeführt wird. Da Roboter jedoch immer mobiler und geschickter werden, sind sie nun besser in der Lage, diese Aufgabe zu übernehmen.

Ein weiteres Beispiel dafür, dass Roboter immer menschenähnlicher werden, ist der Roboter David, der vom Institut für Robotik und Mechatronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt wurde.

David besitzt 76 bürstenlose DC-Motoren (BLDCs) und 165 Positionssensoren. Seine Bewegungsgeschwindigkeit ähnelt der des Menschen und er ist als wissenschaftliche Plattform für die Entwicklung von Steuerungssystemen für so genannte VSAs (Variable Stiffness Actuators) kategorisiert, wie das DLR sie bezeichnet. Diese Technologie verleiht David ein menschliches Aussehen mit ähnlicher Größe, ähnlichem Gewicht und ähnlichem Mobilitätsbereich.

Das Beste aus bürstenlosen DC-Motoren (BLDC) herausholen

Es ist interessant festzustellen, dass selbst etwas so Fortgeschrittenes wie David immer noch stark von der Standard-BLDC-Technologie (Brushless DC) abhängt. Die BLDC-Technologie ist nach wie vor eine der effizientesten Formen des Elektromotors. Was sich ändert, ist die Art und Weise, wie BLDCs gesteuert werden.

Die Entwicklung hin zu leistungsfähigeren Mikrocontrollern (MCUs), die heute üblicherweise durch Hardware-Erweiterungen für die digitale Signalverarbeitung (Digital Signal Processing, DSP) unterstützt werden, bedeutet, dass die Regelalgorithmen wesentlich komplexer sind. Für Ingenieure im Embedded-Bereich, die mit den Regelsystemen, die mit BLDCs verwendet werden, nicht vertraut sind, kann es schwierig sein zu verstehen, wie sie das Optimum aus diesen leistungsfähigen MCUs mit DSP herausholen können.

Viele große Halbleiterhersteller bieten inzwischen MCUs an, die für die BLDC-Regelung konzipiert sind. Daneben bieten sie Software Development Kits an, die alle gängigen Regelungstechniken enthalten. Dazu gehört das dsPIC33CH Curiosity Development Board DM330028 von Microchip für digitale Dual-Core-Signalcontroller (DSC). Dieses Crossover-Element kombiniert MCU- und DSP-Funktionalität in einer einzigen Plattform.

Trinamic Motion Control (kürzlich von Maxim Integrated übernommen) ist auf Halbleiterlösungen für Roboteranwendungen spezialisiert. Die Produktfamilie von TMC5160A-Motorsteuerungen und Treibern bietet eine Reihe von Funktionen für die Bewegungssteuerung, einschließlich lastadaptiver und lastabhängiger Technologien.

Rohm Semiconductor bietet ebenfalls ein umfangreiches Portfolio an Schrittmotortreibern, ebenso wie STMicroelectronics mit seinen Advanced BLDC Controllern.

Was Sie in der nächsten Robotikserie erwartet

Im nächsten Teil dieser Serie befassen wir uns mit den Technologien, die von Robotern zur Steuerung ihrer Position und zum Erfassen ihrer Umgebung verwendet werden. Schauen Sie sich in der Zwischenzeit auch die weiteren Ressourcen von Mouser an, um mehr über die Welt der Robotik zu erfahren.