Ohne Bewegung läuft nichts

Arm anwinkeln, Handfläche ausstrecken, Finger spreizen; dann das Ganze hin und her schwenken lassen. Nur schon der grobe Ablauf einer vermeintlich einfachen Wink-Bewegung setzt die Bewegung verschiedener Gelenke voraus. Beim Menschen erledigen dies Muskeln, die durch den Ablauf von Zusammenziehen (Kontraktion) und Erschlaffen (Relaxation) Körperteile bewegen. Ein Roboter muss auf andere Techniken zurückgreifen: Um vorwärtszukommen, verwendet er Elektromotoren. Dabei handelt es sich oft um Gleichstrommotoren z.B. des Antriebsspezialisten maxon.

Grundsätzlich sorgt ein Gleichstrom (DC)-Motor durch Links- und Rechtsdrehen für Bewegung. Im realen Einsatz gestaltet sich das aber nicht immer so einfach, wie es sich anhört. So ist es für einen modernen Roboter besonders wichtig, dass seine Bewegungsabläufe präzise, dynamisch und mit möglichst wenig Aufwand an Energie durchgeführt werden. Gleichzeitig sollen die einzelnen Komponenten möglichst klein und leicht sein. Das bringt mehr Agilität und spart Kraft.

maxon motor hat sich seit mehr als 40 Jahren auf die Entwicklung von Gleichstromantrieben und Systemen bis 500 W Leistung spezialisiert. Permanentmagnetisch erregte Gleichstrommotoren spielen eine Schlüsselrolle im Umfeld ungebremst voranschreitender Miniaturisierung in der Antriebstechnik und der resultierenden Forderung nach immer mehr Leistung auf immer kleinerem Raum.

Antriebs-Vorteile für die Robotik

Präzise, kompakt, effizient – dies sind die wesentlichen Anforderungen an das Antriebskonzept eines Roboters. Wieso gerade eisenlose Gleichstrommotoren diese Anforderungen am besten erfüllen, zeigen die Produkte von maxon motor. Das „Herzstück" eines zylindrischen maxon-Gleichstrommotors ist der eisenlose Rotor, eine selbsttragende Kupferwicklung. Vorteile dieser Technologie sind der Wegfall des Rastmoments, der hohe Wirkungsgrad sowie die kleine Induktivität und das kompakte Design.

In den konventionellen Gleichstrommotoren mit Eisenkern wer- den die weichmagnetischen Zähne des Rotors durch die in der Nähe befindlichen Permanentmagnete polarisiert und angezogen. Eine Bewegung zum folgenden Magnetpol erfordert eine Ummagnetisierung. Der Rotor versucht an diesen Vorzugspositionen zu verharren und ohne Bestromung hält der Motor nur an ganz bestimmten Stellen an. Dieses sogenannte Rastmoment führt dazu, dass das erzeugte Drehmoment eine starke Welligkeit aufweist. Die rastmomentfreien maxon-Motoren ermöglichen hingegen einen ruckfreien Lauf auch bei kleinen Drehzahlen, die einfache Regelung jeder beliebigen Rotorposition sowie geringe Vibrationen und Geräuschentwicklung.

Auch für einen hohen Wirkungsgrad ist gesorgt: Bei DC-Motoren von maxon ist die Magnetisierung des Stators fest eingeprägt und der Rotor ohne Eisen ausgeführt. Deshalb treten keine Eisenverluste auf, sodass sich die Antriebe u.a. sehr gut für batteriebetriebene Anwendungen eignen – dank des hohen maximalen Wirkungsgrads bis über 90% sowie des tiefen Leerlaufstroms von typischerweise unter 50 mA. Weiterhin entfällt durch die eisenlose Konstruktion die hohe zusätzliche Induktivität des Eisenkerns. Für die Kommutierung muss daher weniger magnetische Energie geschaltet werden und die auftretenden Funken beim Öffnen des Kontakts zwischen Bürste und Kollektorlamelle sind weniger ausgeprägt. Das geringere Bürstenfeuer ergibt eine erhöhte Lebensdauer und reduziert die elektromagnetischen Störungen.

Dank des fehlenden Eisenkerns kann der Magnet bei maxon-Motoren Platz sparend im Zentrum angeordnet werden. Die gegen-über eisenbehafteten Motoren vorteilhaftere Magnetgeometrie ermöglicht ein effzienteres Design des Magnetkreises und eine hohe Induktionsfeldstärke im Luftspalt. Das Massenträgheitsmoment des Hohlzylinders beim maxon-Motor ist gegenüber dem Vollzylinder eines eisenbehafteten Rotors bedeutend kleiner und ergibt hohe Leistung auf kleinem Raum, kompakte Bauform mit geringem Gewicht sowie hohe Dynamik und schnelle Beschleunigung mit Hochlaufzeiten von nur einigen Millisekunden.

DC-Motoren von maxon gibt es mit und ohne Bürsten. Der Vorzug von bürstenlosen DC-Motoren (aufgrund ihrer elektronischen Kommutierung auch EC-Motoren genannt) liegt vor allem in der längeren Lebensdauer und der noch besseren Dynamik, wovon auch die Robotikapplikation – nachfolgend in einigen Beispielen beschrieben – profitieren können.

Wenn es um den aufrechten Gang geht

Zweibeinige Roboter – auch Androiden genannt – ließen lange auf sich warten, weil die Imitation des menschlichen Gangs sich sehr schwierig gestaltet. Der menschliche Körper stellt seinen Gleichgewichtspunkt parallel zu den Änderungen seines Auflagepunkts und in Abhängigkeit vieler Faktoren ständig neu ein – eine enorme Herausforderung für Forscher und Tüftler. Roboter, die auf zwei Beinen stehen, sind grundsätzlich instabil. Das rührt daher, dass das Zentrum der Körperschwerkraft auf Taillenhöhe liegt und die Kontaktflächen mit dem Boden durch die Füße relativ klein sind. Schon bei minimalen äußeren Störeinflüssen wie Bodenunebenheiten oder Hindernissen kann ein Roboter umfallen.

Gemeistert hat man diese Herausforderungen beim Androiden „ Albert Hubo", der laufen, sprechen, Personen erkennen und sogar seine Gesichtszüge verändern kann. Ein spezielles Material mit dem Namen „Frubber", das aus den Hollywood Filmstudios stammt, macht es möglich, die Mimik des Menschen nachzuahmen. Albert Hubo hat 66 Freiheitsgrade (aktive Gelenke), ist 137 cm groß, 57 kg schwer, komplett batteriebetrieben und soll als Unterhaltungsmedium sowie in der Altenpflege zum Einsatz kommen.

Für die Gesichts- und Körperbewegungen werden zahlreiche Elektromotoren eingesetzt. Allein im Gesicht sind es 28, um Ausdrücke wie Freude, Traurigkeit, Wut und Überraschung zu erzeugen. Die sanften Körperbewegungen verdankt Albert Hubo vor allem auch den bürstenlosen und bürstenbehafteten DC-Motoren von maxon: Für die Arme sind 14 Antriebe im Einsatz, die Hände benötigen weitere zehn Motoren, die Taille einen und die Beine werden von nochmals zehn Motoren angetrieben. Die Präzisionsmotoren haben Durchmesser von 10 bis 40 mm. Kleinere stecken beispielsweise in den Fingern, größere in Beinen und Rumpf.

Wenn es um mehr Mobilität geht

Das japanische Unternehmen Cyberdyne hat ein künstliches Skelett zum Anziehen entwickelt. Es trägt den Namen „HAL-5", wiegt 23 kg und ist mit einer Vielzahl von Sensoren, maxon-Elektromotoren, Messeinrichtungen und einem Kleincomputer bestückt. HAL steht für Hybrid Assistive Limb (Deutsch: hybrides Hilfsglied) und soll dem Träger ermöglichen, Körperbehinderungen zu kompensieren oder schwere Lasten zu transportieren.

Der Roboteranzug wird ähnlich einer mittelalterlichen Ritterrüstung übergezogen. DC-Motoren von maxon und Sensoren, die unter weißen Plastikschienen versteckt sind, werden an Armen und Beinen fixiert und, wie eine Art Harnisch, über die Brust gezogen. Der Akku, der knapp 3 h lang Energie liefert, hängt am Gürtel. Die biokybernetische Steuerung der Maschine stützt sich auf Sensoren, die auf der Haut befestigt werden und über die anliegende Spannung die Nervenimpulse abgreifen. Der angeschlossene Rechner wertet die Signale aus und erkennt so, ob der Träger des Anzugs gehen oder stehen will. Wenn er z.B. einen Schritt vorwärts machen möchte, gibt der Rechner der Hydraulik des Mechanikbeins den Befehl, den Stellwinkel der Gelenke entsprechend zu verändern. Auf diese Impulse reagieren die bürstenlosen maxon-DC-Motoren im Bruchteil einer Sekunde und damit fast genauso schnell wie das körpereigene Nerven-Muskel-System auf die Signale vom Gehirn. Derartige Entwicklungen werden wohl einen wesentlichen Nutzen für die immer älter werdende Bevölkerung von Industrienationen und für Menschen mit Mobilitätseinschränkungen haben.

Im Gegensatz zu futuristischen Ganzkörperanzügen kommen bewegungstherapeutische Roboter auch in Europa schon länger zum Einsatz. So ist z.B. der „Lokomat" von Hocoma ein von maxon-Motoren angetriebenes Therapiesystem, welches das Führen der Beine von im Gehen eingeschränkten Patienten mit neurologischen Krankheiten und Verletzungen auf dem Laufband unterstützt. Neben der körperlichen Entlastung der Therapeuten erlaubt es längere und intensivere Trainingseinheiten und somit bessere Therapieresultate.

Wenn es um mehr Lebensqualität geht

Wieder selbstständig aus einem Glas trinken, ohne fremde Hilfe essen oder einfach nur die Tür öffnen können – für armamputierte Menschen war dies bis vor Kurzem oftmals noch eine Wunschvorstellung. Dank neuester Armprothesen gelingt es nun, dass auch physisch benachteiligte Menschen wieder selbstständig einfache tägliche Abläufe meistern können. So entwickelten Forscher aus Wien eine Armprothese, die sich durch Gedanken steuern lässt. Die intelligente Prothese kann gezielt über jene Nerven angesteuert werden, die auch ursprünglich für die Bewegung des Arms zuständig waren. Damit gibt sie ihrem Träger sieben aktive Gelenke und viel mehr Aktionsmöglichkeiten. Die Gelenke können gleichzeitig angesteuert werden. Es ist kein Umdenken mehr notwendig, wie das bei konventionellen Prothesen bisher der Fall war. Der Patient führt Bewegungen intuitiv aus, welche direkt von der Prothese umgesetzt werden. Voraussetzung dafür ist eine Operation, bei der Nerven verlagert werden. Durch diesen sogenannten selektiven Nerventransfer können Signale, die ursprünglich für die Steuerung des Arms verantwortlich waren, für die Steuerung der Prothese genutzt werden. Im Prothesenschaft sind Elektroden eingearbeitet, die diese Steuersignale aufnehmen, ein elektronisches Analyseverfahren im Inneren der Prothese setzt die empfangenen Signale um und erkennt die gewünschte Bewegung.

Antriebe von maxon sorgen in der neusten Prothesenentwicklung von Otto Bock für präzise Hand- und Fingerbewegungen. Zum Einsatz kommen diverse EC-powermax-Motoren, die zwei Endglieder eines Fingers bzw. die Fingerwurzel sowie das Daumenglied der Prothese antreiben. Der geringe Energieverbrauch und das minimale Gewicht der bürstenlosen DC-Motoren spielen dabei eine entscheidende Rolle für die Mobilität des Prothesenträgers.

Nach Informationen der maxon motor ag in Sachseln/CH ( www.maxonmotor.com )