Der Antrieb hinter der Bewegung

Weltweit arbeiten viele Unternehmen an humanoiden Robotern für den kommerziellen Einsatz. Besonders viel-versprechend erscheinen ihre Einsatzmöglichkeiten in Produktion und Logistik, insbesondere bei arbeitsintensiven, physisch anspruchsvollen und repetitiven Aufgaben. Was die Hardware betrifft, sind so genannte Aktuatoren von zentraler Bedeutung für die Ausführung menschenähnlicher Bewegungen. Diese antriebstechnischen Bauteile fungieren als robotisches Äquivalent zu menschlichen Gelenken und Muskeln, das heißt, sie ermöglichen die Bewegungen in einem System – rotierend oder linear.

Aktuatoren bestehen aus einer Kombination von Schrauben, Getrieben, Motoren, Sensoren, Kugellagern und Encodern. Je mehr Freiheitsgrade benötigt werden, desto mehr Aktuatoren sind erforderlich. Aktuell sind humanoide Roboter, die sich in der Entwicklung befinden, in der Lage, zwischen 16 und 60 Freiheitsgrade zu realisieren. Mit fortschreitender Entwicklung werden humanoide Roboter langfristig gesehen eine noch größere Anzahl von Aktuatoren benötigen, um ihnen eine höhere Bewegungsfreiheit für immer neue und komplexere Einsatzszenarien zu ermöglichen. Die Hardware-Konzepte können hierbei – abhängig von den spezifischen Anforderungen an die Bewegungsfreiheit – beispielsweise das Design der Hände, die Sensorempfindlichkeit und andere Faktoren erheblich variieren.

Motoren für humanoide Roboter-Gelenke

Humanoide Bewegungen lassen sich durch elektrische, hy-draulische oder pneumatische Antriebssysteme steuern. Derzeit ist vorherrschende Praxis, in jedem Gelenk einen spezifischen Aktuator bestehend aus Getriebe, Torquemotor, Encoder und Motorsteuerung zu verwenden. Torquemotoren sind hochpolige, elektrische Servomotoren mit hohem Drehmoment bei gleichzeitig relativ kleinen Drehzahlen. Doch welche systemtechnischen Anforderungen sind für die Motorauswahl bei einem humanoiden Roboter entscheidend?

Präzision

Frameless-Servomotor mit großer Hohlwelle. Diese ist wichtig, um Kabelbäume intern zu verlegen und ein sauberes Roboter-Design zu erreichen. © TQ-Group

Damit der Roboter kontrollierte, fließende und vielseitige Bewegungen ausführen kann, ist die Präzision des Motors äußerst wichtig, denn: Je präziser der Antrieb ist, desto direkter wird die Verbindung zwischen der Bewegung des Roboters und dem ‚Sehprozess‘, bestehend aus Sensorik und Kameratechnik. Jeder Gelenkpunkt ist durch dreidimensionale Vektoren definiert. Für die höchstmögliche Präzision müssen die Motoren, gerade in der Summe von mehreren Gelenkpunkten, immer die ‚richtige‘ Position einnehmen. Andernfalls akkumulieren sich selbst minimale Abweichungen in den einzelnen Gelenken, wie etwa Hüfte, Knie und Fußgelenk, insgesamt zu gravierenden Fehlpositionierungen. Die Präzision eines elektrischen Motors steigt dabei mit der sogenannten Polpaarzahl, die ein wesentlicher Faktor für das Verhalten des Motors ist, weil sie direkte Auswirkungen auf Steuerung, Positionierung und Regelbarkeit des Motors hat.

Die TQ-Group beispielsweise legt beim Design ihrer Frameless-Servomotoren besonderes Augenmerk darauf, eine hohe Polpaarzahl zu realisieren. So bieten die Elektromotoren eine sehr präzise Positions- und Drehmomentregelung über ein breites Spektrum an Bedingungen, von niedriger Geschwindigkeit und hohem Drehmoment bis zu hoher Geschwindigkeit und niedrigem Drehmoment. Dies ist entscheidend für die natürlichen, fließenden Bewegungen, die von humanoiden Robotern erwartet werden, und diese Gleichmäßigkeit trägt vor allem in Umgebungen, in denen Roboter mit Menschen interagieren, zur Akzeptanz der Technologie bei.

Reaktionszeit und Dynamik

Die Umwelt, in der sich Menschen und folglich auch humanoide Roboter bewegen, ist volatil und verändert sich ständig. Auf jede Veränderung der Umwelt – wenn zum Beispiel ein Roboter in ein nicht vorhersehbares Loch tritt oder der Untergrund nachgibt – muss der Motor entsprechend reagieren können beziehungsweise dementsprechend angesteuert werden. Damit ein humanoider Roboter wie ein Mensch flexibel und schnell auf Veränderungen in der Umwelt reagieren kann, sind eine ausgezeichnete dynamische Kontrolle

und Ansteuerbarkeit sowie eine schnelle Reaktionszeit ausschlaggebend. Die Dynamik eines Elektromotors beschreibt die Fähigkeit des Motors, auf Veränderungen in der Belastung oder Steuerung schnell und präzise zu reagieren. Sie bezieht sich im Wesentlichen auf das Verhalten des Motors unter wechselnden Bedingungen und darauf, wie gut er in der Lage ist, Geschwindigkeit, Position oder Drehmoment zu ändern.

Die Motoren von TQ sind besonders drehmomentdicht. Erreicht wird dies durch eine spezielle Wicklungstechnologie, die den Kupferfüllfaktor im Vergleich zu herkömmlich gewickelten Elektromotoren maximiert. © TQ-Group

Wie erreicht ein elektrischer Aktuator nun diese hohe Reaktionszeit und Dynamik? Um in Echtzeit reagieren zu können, werden für eine kurze Zeit sehr hohe Drehmomente benötigt, um beispielsweise die Fußbewegung schnell zu antizipieren und an das Loch im Boden anzugleichen. Dieses Drehmoment ist dann für einen kurzen Augenblick um ein Vielfaches erhöht. Dies wird auch als Überlastfähigkeit eines Servomotors und als Spitzendrehmoment bezeichnet, also das maximale Drehmoment, das ein Motor kurzfristig erzeugen kann. Der Spitzendrehmoment der TQ-Motoren ist etwa um ein Dreifaches höher als ihr Nenndrehmoment beziehungsweise der konstante Wert, der langfristig erreichbar ist. Konkret erreichen die TQ-Motoren einen Spitzendrehmoment im zweistelligen Newtonmeter-Bereich.

Effizienz und Energieverbrauch

Die Effizienz, also wie hoch die Verlustleistung über die Akku-laufzeit ist, entscheidet darüber, wie lange ein batterie- betriebener humanoider Roboter arbeiten kann. Dabei gilt: Höchste Effizienz aufgrund von geringem Kupferverlusten verlängert die Akku-Laufzeit. Kupferverluste beschreiben Verluste, die durch den elektrischen Widerstand der Wicklungen in einem Motor verursacht werden. Sie werden in Form von Wärme abgegeben und sind eine der Hauptverlustquellen in elektrischen Maschinen. Motoren mit einer hohen Verlustleistung brauchen viel Strom, was die Akkulaufzeit verkürzt und damit die Arbeitsdauer begrenzt. Der Faktor Effizienz spielt daher bei einem mobilen, humanoiden Roboter eine wesentlich wichtigere Rolle als bei einem kollaborativen Roboter (Cobot), der am Stromnetz angeschlossen ist. Für den Einsatz von humanoiden Robotern in der Praxis – sei es in der Industrie, im Gesundheitswesen oder im Einzelhandel – ist eine hohe Effizienz mit ausschlaggebend für den kontinuierlichen Einsatz der Roboter. Die Torquemotoren von TQ haben einen Wirkungsgrad von 90 Prozent oder höher und erreichen besonders geringe Kupferverluste in Watt.

Drehmomentdichte und Kompaktheit

Die Drehmomentdichte eines Elektromotors ist ein Maß dafür, wie viel Drehmoment der Motor pro Volumeneinheit oder pro Gewichtseinheit erzeugen kann. Sie ist ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit und Kompaktheit eines Motors und insbesondere für diejenigen Anwendungen wichtig, bei denen das Gewicht ausschlaggebend ist – zum Beispiel in der Robotik.

Humanoide Roboter eignen sich insbesondere für den Einsat in Produktion und Logistik, speziell für arbeitsintensive, physisch anspruchsvolle und repetitive Aufgaben. © PAL Robotics

Das Gesamtgewicht eines humanoiden Roboters wird maßgeblich vom Gewicht der Achsen bestimmt. Je leichter die Motoren in den Achsen sind, desto geringer ist auch das Gesamtgewicht. Dies bewirkt wiederum eine längere Akku-Laufzeit, die eine höhere Traglast und damit auch insgesamt eine höhere Dynamik des Roboters ermöglicht. Das Gewicht wird in der Branche oft als ‚muskulär‘ bezeichnet – doch auch wenn ‚Muskelmasse‘ für einen Menschen erstrebenswert ist, ist sie für einen humanoiden Roboter von Nachteil, denn ein schlanker Humanoider ist dynamischer, schneller und kann vor allem höhere Traglasten transportieren.

Die TQ-Motoren sind besonders drehmomentdicht, das heißt, sie können verglichen mit Wettbewerbsprodukten bei gleicher Größe das doppelte Drehmoment beziehungsweise bei halber Größe das gleiche Drehmoment erzielen. Erreicht wird dies durch eine spezielle Wicklungstechnologie, die den Kupferfüllfaktor im Vergleich zu herkömmlich gewickelten Elektromotoren maximiert. TQ schöpft dank bestimmter Fertigungsschritte in der Manufaktur die physikalischen Möglichkeiten komplett aus, so dass es in der jeweiligen Motorgröße nicht möglich ist, noch mehr Kupfer unterzubringen. Ein weiterer positiver Aspekt bei den Motoren ist ihre große Hohlwelle, die sehr wichtig ist, um Kabelbäume intern zu verlegen und ein sauberes Roboter-Design zu erreichen.

Robustheit und Zuverlässigkeit

Auch die Robustheit und Zuverlässigkeit der Motoren sind wichtige Faktoren für Anwendungen der humanoiden Robotik. Insbesondere in der Testphase kommt es noch häufig zu Stürzen. Ein robustes, wartungsfreies Design stellt sicher, dass die Gelenke trotz der zu durchlaufenden Lernkurve intakt und funktionsfähig bleiben. Den größten Herausforderungen müssen sich Antriebe im Weltall stellen. Selbst bei Temperaturschwankungen von -40 bis +125 °C müssen sie zuverlässig funktionieren. Auf der ISS (International Space Station) kam ein ‚ILM‘-Motor von TQ unter anderem im Arm des Roboters ‚Rokviss‘ zum Einsatz und führte präzise Arbeiten in der Schwerelosigkeit durch – über fünf Jahre hinweg in Hunderten von Tests.

Auch in industriellen Anwendungsszenarien wie etwa einer Produktions- oder Lagerhalle kann es vorkommen, dass ein humanoider Roboter, der schwere Lasten heben muss, Gegenstände fallen lässt oder plötzlichen Stößen ausgesetzt ist. Die Robustheit der Gelenke des Roboters schützt vor Beschädigungen und gewährleistet einen kontinuierlichen und zuverlässigen Betrieb auch unter anspruchsvollen Bedingungen.

Standard-Motoren oder maßgeschneiderte Lösung?

Robert Vogel ist Sales & Business Develpment Manager bei TQ-RoboDrive in Inning. © TQ-RoboDrive

Robotik-Hersteller stehen zudem vor der Frage, ob sie sich für einen Motoren-Hersteller entscheiden sollen, der Standard-Komponenten liefert, oder ob sie auf eine kundenspezifische Lösung setzen sollen. Bei TQ erhalten Kunden eine Auswahl an Standardgrößen, die sich auf Wunsch jedoch maßgeschneidert an die kundenspezifische Applikation anpassen lassen. Die ‚Frameless-Servokits‘ sind in Durchmesser und ihrer sogenannten Stack-Länge modifizierbar und ihre Performance und Dimensionierung somit an die kundenspezifische Applikation anpassbar. Insbesondere bei Stückzahlen von nicht mehr als ein paar Hundert Einheiten pro Jahr kann eine kundenspezifische Lösung die beste Option sein, da sie die vollständige Kontrolle über Design, Materialien und den Herstellungsprozess ermöglicht.