Bürstenlose Kleinantriebe für besondere Roboteraktionen

Wendig wie eine Schlange

Ein Roboter, der sich wie eine Schlange winden kann, erreicht nahezu jeden versteckten Winkel. Maxon-Motoren sorgen für präzise Bewegungen des mehrgliedrigen Roboterarms.

Beispiel für einen Schlangenroboter: Inspektion in einem Reaktor des kanadischen Kernkraftwerks in Pickering, Ontario. (Foto: OC Robotics)

Dort, wo der Mensch nur mit großer Mühe hinkommt, um ein Problem zu lösen, kann eine "Roboterschlange" mühelos hingelangen - ob bei der Flugzeugmontage, in Kernkraftwerken oder für die Inspektion von Kanälen. Schmale und gefährliche Bereiche gibt es in vielen Branchen. Enge Räume und die darin befindlichen Geräte sind für den Menschen oft nur schwierig zugänglich. Das in Bristol in Großbritannien ansässige Unternehmen OC Robotics hat sich nach dem Vorbild aus der Tierwelt den "Snake-Arm-Robot" entwickelt. Geschäftsführer Rob Buckingham und der technische Direktor Andrew Graham entwickelten den ersten Prototypen schon im Jahr 2001. Bis heute haben sie die Technik des Schlangenroboters immer weiter perfektioniert. Die Geräte haben ein schlankes und flexibles Design, passen mühelos durch kleine Öffnungen und weichen Hindernissen geschickt aus.

Video des Schlangenroboters mit mit Lasertool

Die Roboter kommen beispielsweise in der Luft-und Raumfahrtmontage, Atomenergiebranche und in Medizin- und Sicherheitsanwendungen zum Einsatz. Je nach Anforderung des Kunden sind verschiedene Längen und Durchmesser des Schlangenarmroboters verfügbar. Standardgrößen variieren von 40 bis 150 Millimeter im Durchmesser und haben eine Länge von einem bis 3,25 Meter Länge - je nach Kundenwunsch können sogar zehn Meter Länge und Durchmesser bis 12,5 Millimeter realisiert werden. Der Durchmesser des Schlangenarms ist entscheidend für deren Funktionalität: Je größer der Durchmesser, desto mehr Gewicht kann der Roboter beispielsweise bei Wartungsarbeiten heben.

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Anwenderspezifische Tools im Schlangenkopf

Jeder dieser Roboter wird deshalb je nach Anwendungsbereich kundenspezifisch angefertigt. Der Kopf des Schlangenroboters lässt sich mit unterschiedlichen Tools ausrüsten, zum Beispiel für die visuelle Inspektion mit entsprechender Ausleuchtung, mit einer Kamera, einem Greifarm oder einem Laser zum Schneiden von Metall und Beton. Je nach Anwendung kann der Schlangenroboter auf einer mobilen oder festen Station wie einem Industrieroboter oder Kran angebracht werden.

Der Schlangenarmroboter kann eine ganze Reihe von Kontroll-und Wartungsarbeiten durchführen. Dabei benötigt er keine direkte Unterstützung aus der Umgebung. Er lässt sich frei durch den offenen Raum navigieren. Gesteuert wird der Roboter mittels einer proprietären Software, durch die es dem Bediener ermöglicht wird, den Schlangenarm nach dem "Nose-Following"-Prinzip zu kontrollieren. Das heißt, dass über ein Joypad ein Kommando an die Schlangenspitze übermittelt wird, und die weiteren Glieder folgen diesem vorgegebenen Pfad. Wenn der Bediener ein Hindernis vermeidet, wird auch der Rest des Schlangenarms dieses umgehen. Mit dieser Technologie wird es für den Menschen einfacher, in gefährlichen Umgebungen zu arbeiten.

Bürstenlose DC-Motoren für flexible Bewegungen

Genau wie beim menschlichen Arm, bei denen die Sehnen die Muskeln mit den Gelenken verbinden, sind beim Schlangenroboter Stahlseile wie Sehnen mit den einzelnen Gelenken des Roboters verbunden. Jeder einzelne Draht im Inneren ist mit einem Maxon-Motor verbunden. Die schlangenartig gewundenen Bewegungen entstehen dadurch, dass die Motoren die mechanische Leistung in den Arm übertragen, wo sich die einzelnen Bindeglieder des Arms befinden. In jedem Arm werden je nach Version bis zu 50 Maxon-Motoren verbaut. Diese befinden sich nicht direkt im Arm, sondern in einem Aktuator-Pack in der Basis des Roboters. Dies ist vorteilhafter, weil Motoren und Elektronik besser zugänglich sind und gefährlichen und engen Umgebungen nicht ausgesetzt werden.

Auch im Kopf sind Maxon-Motoren für die Bewegung von beispielsweise Kamera oder Greifarm zuständig. Die größte Herausforderung an die Antriebe ist die hohe Leistungsfähigkeit in einem kompakten Design. Für die hochkomplexe Anwendung wurde deshalb der bürstenlose DC-Motor EC-max 30 (60 Watt) und das Planetengetriebe GP32 in der Keramikversion verwendet. Mit dem bürstenlosen Design sind die elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren (EC) gut für lange Betriebszeiten vorbereitet. Herzstück der Maxon-Motoren ist die eisenlose Wicklung - mit der physikalisch bedingte Vorteile wie kein Rastmoment, hoher Wirkungsgrad und eine bemerkenswerte Regeldynamik erreicht werden. Für den Schlangenarm waren spezielle Modifikationen für die verwendeten Motoren erforderlich. So wurde ein spezifisches Kabel und Befestigungslöcher benötigt. Zudem wurde das von Maxon eingesetzte Planetengetriebe für die Anwendung modifiziert und ein spezielles Gehäuse für die Bremse entwickelt.

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