Nachgiebige Antriebssysteme

Soft Robotics mit DEA

Künstliche Muskeln für Roboterkollegen. Der Forschungsbereich Biomechatronik am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik der Uni Erlangen befasst sich mit inhärent nachgiebigen Antriebssystemen für die sichere Mensch-Roboter-Kollaboration.

Schematischer Aufbau der künstlichen Muskeln auf Basis von DEA. (Grafik: FAPS)

Herkömmliche Antriebe auf Basis elektrischer Servogetriebemotoren sind etablierte Lösungen in der Robotik. Die auf höchstem Niveau gereifte Antriebstechnologie ist leistungsfähig, intelligent und energieeffizient. Im Hinblick auf intelligente industrielle Robotersysteme der neuen Generation, die mit Menschen sicher und effektiv zusammenarbeiten können, stoßen die vertrauten Antriebslösungen jedoch an ihre Grenzen. Denn sie sind grundsätzlich nicht nachgiebig und mit den kinematischen Komponenten starr gekoppelt. Ohne zusätzliche Systemkomponenten können die Antriebe keine Energie speichern und später auch nicht wieder nutzen, sodass die Bewegungsenergie nach jeder Bewegung etwa durch Bremssysteme umgewandelt und abgeführt werden muss. Für die Mensch-Roboter-Kollaboration bedeutet dies, dass der Roboter stoßartige Belastungen, die etwa bei einer Kollision auftreten, nicht ohne Weiteres federnd abfangen kann. Mit Antriebslösungen basierend auf seriell elastischen Aktoren (SEA) wird nun versucht, diese Nachteile mit elastischen Maschinenelementen, beispielswiese Federn, auszugleichen. Die bei diesem Ansatz notwendigen Komponenten bringen jedoch zusätzliches Gewicht mit sich, sodass der auf das Gesamtsystem bezogene Wirkungsgrad sinkt.

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DEA als Antriebselement: von Natur aus flexibel
Der Aufbau sogenannter dielektrischer Elastomeraktoren (DEA) ähnelt einem nachgiebigen Flächenkondensator. Dabei besteht die jeweilige Aktoreinheit aus einer dünnen Schicht aus elastischem Dielektrikum sowie zwei dehnbaren, elektrisch leitfähigen Elektrodenschichten. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes mit einigen Kilovolt ziehen sich die aufgeladenen Elektroden unterschiedlicher Polarität gegenseitig an und stoßen sich von gleichpolarisierten Ladungen innerhalb einer Elektrode ab. Die dielektrische Schicht aus Elastomeren wie Silikon oder Acryl ist nahezu inkompressibel – das Volumen bleibt konstant. Außerdem sind die Elektrodenschichten flexibel. So dehnt sich der Aktor in Flächenrichtung, während er sich in Richtung der Flächennormale kontrahiert. Bei Anwendungen von DEA als Antriebselement werden sowohl die orthogonale Kontraktion („Pull“-Aktor) als auch das Ausdehnen in Flächen („Push“-Aktor) genutzt.

Diese von Natur aus flexiblen Aktoren haben viele Eigenschaften zur Entwicklung sicherer Robotersysteme. Aufgrund der werkstoffbedingten Elastizität sind diese Aktoren inhärent nachgiebig und arbeiten geräuschlos. Komplexe Bewegungen sind auch ohne starre Kinematik möglich. Das Leistungs-Gewichts-Verhältnis von DEA wird im Vergleich zu den gängigen Antriebssystemen als sehr hoch eingeschätzt; die Energiedichte ist mit natürlichen Skelettmuskeln vergleichbar. Zudem kann ein solcher Aktor mechanische Energie speichern und für weitere Bewegungen nutzen, indem er sich verformt. DEA sind darüber hinaus für sensorische sowie generatorische Anwendungen einsetzbar.

Der Muskel ist das Vorbild
Um aus mehreren Aktoreinheiten ein makroskopisches Antriebselement zu erzeugen, verfolgen die Wissenschaftler am FAPS einen biomimetischen Lösungsansatz. Das Vorbild in der Natur ist der menschliche Skelettmuskel, der in mehreren Strukturstufen hierarchisch aufgebaut ist. So werden einzelne DEA – entsprechend den Sarkomeren im Skelettmuskel – schichtweise additiv erzeugt und in Form eines Stapelaktors entsprechend einer Myofibrille im Skelettmuskel aufgebaut und anschließend zu einem künstlichen Muskel gebündelt.

DEA sind längst Gegenstand von Forschung und Entwicklung – der Schwerpunkt lag bisher überwiegend in der Werkstoffwissenschaft. Das Material ist so optimiert, sodass es eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit bei hoher Permittivität aufweist, ohne mechanische Eigenschaften, insbesondere die Elastizität, einzubüßen. Großes Innovationspotenzial für die Anwendung in der Robotik steckt deshalb in der Fertigung von DEA: Herausforderung ist unter anderem die Erzeugung dünner Elastomer- und Elektrodenschichten (weniger als zehn Mikrometer) bei hohem Materialdurchsatz und hoher Sicherheit gegen Schichtablösung.

Das Forschungsprojekt am FAPS fokussiert für die zukünftige Nutzung flexibler Aktoren in der Robotik zwei Themengebiete: die Entwicklung eines automatisierten Fertigungsprozesses für Stapelaktoren sowie einer maßgeschneiderten Leistungselektronik und Steuerung für DEA. Der Fertigungsprozess basiert auf dem Aerosol-Jet-Druck, der besonders im Bereich MID (Molded Interconnect Device) zur additiven Erzeugung von elektrischen Leiterstrukturen eingesetzt wird. Mit einer angepassten Leistungselektronik sollen künftig mehrere DEA mit nur einer Energiequelle unabhängig voneinander elektrisch versorgt und individuell gesteuert werden.

In Seong Yoo, Maximilian Landgraf, Sebastian Reitelshöfer, Prof. Jörg Franke (FAPS)/pb


MHI e. V.

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Der MHI e.V. hat derzeit 18 Mitglieder, die über ihre Institute und Lehrstühle rund 1.000 Wissenschaftler repräsentieren. Gewählter Präsident ist Prof. Bernd Kuhlenkötter von der Ruhr-Universität Bochum, weitere Vorstandsmitglieder sind Prof. Alexander Verl (Fraunhofer Gesellschaft), Prof. Jörg Franke (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) und Prof. Thorsten Schüppstuhl (Technische Universität Hamburg-Harburg). Der MHI versteht sich als enger Partner der deutschen Industrie; die Gesellschaft wird durch einen industriellen Beirat, bestehend aus Führungspersönlichkeiten großer und bekannter deutscher Unternehmen, unterstützt. Zudem besteht eine Kooperation mit dem Fachverband Robotik + Automation im VDMA. So wird die Gestaltung von Forschungs-Schwerpunktthemen angeregt. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de


FAPS

Kurz erklärt: Der FAPS
Der Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg forscht auf vielen Themengebieten, die der Robotik angrenzen: Neuartige Antriebe auf Basis von DEA, multimodale Mensch-Maschine-Interaktion sowie medizintechnische Unterstützungssysteme. Das Forschungsprojekt „Künstliche Muskeln auf Basis von DEA“ wird im Rahmen der Bayerischen Forschungsinitiative „Bionicum Forschung“ durchgeführt und durch das Bayerische Landesamt für Umwelt gefördert. Der FAPS unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke beschäftigt derzeit an zwei Standorten rund 95 Mitarbeiter in sechs verschiedenen Forschungsbereichen: Biomechatronik, System Engineering, Elektronikproduktion, Elektromaschinenbau, Bordnetze sowie Bayerisches Technologiezentrum für privates Wohnen. Der Lehrstuhl versteht sich als Systemintegrator für innovative mechatronische Lösungen, die durch interdisziplinäre Zusammenarbeit der Technologiefeldern am Lehrstuhl sowie in Kooperation mit Partnern erforscht, entwickelt und ganzheitlich optimiert werden. Weitere Infos: www.faps.de

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