Antriebe für humanoide Roboter-Hand

Annäherung an die Natur

Die Entwicklung menschlich nachempfundener Roboterhände schreitet rasant voran – feinfühlige Greifer mit Fingern und Daumen werden von der Vision zur Realität. Bald werden Mehrfinger-Hände auch im Arbeitsalltag anzutreffen sein. Motoren von Maxon sind bei den neuesten Entwicklungen verbaut.

Wo bis jetzt einfache, jedoch robuste Zwei- oder Drei-Fingergreifer im Einsatz stehen, werden bald komplexe Fünf-Finger-Hände auch filigrane Aufgaben ausüben können. Große Fortschritte in der Mikroelektronik und der Mikromechanik machen es möglich, Mehrfingerhände mit separat ansteuerbaren Fingern und der menschlichen Hand nachempfundenen Gelenken herzustellen. Die dazu benötigte komplexe Mechanik und Steuerelektronik kann sogar teilweise auf kommerziellen Standardkomponenten aufgebaut werden.

Die menschliche Hand ist unbestritten eines der universellsten und komplexesten Werkzeuge in der Natur. Die Eigenschaften und Vorzüge dieser evolutionären Konstruktion untersuchen Forscher schon seit Jahren. Jetzt werden die Erkenntnisse der Forschungsarbeit für die Roboterhand der Zukunft genutzt und umgesetzt. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat in Zusammenarbeit mit dem Harbin Institute of Technologie (HIT) eine neue Roboterhand entwickelt. Dank kleinster und präziser Antriebstechnik und Hochleistungs-Bus-Technik setzt diese Entwicklung neue Maßstäbe für menschenähnlich nachempfundene Greifhände. Die neue DLR-HIT-Hand II besteht aus fünf Fingern mit je vier Gelenken und drei Freiheitsgraden und ist im Vergleich zu ihrem Vorgänger DLR-HIT-Hand I kleiner und leichter. Vier Finger werden benötigt, um auch konische Teile umfassen zu können, und ein Daumen dient als „Gegenlager“. Um die Hand vollumfänglich nutzen zu können, muss die mechanische Bewegungsvielfalt sinnvoll angesteuert und überwacht werden. Leistungsfähige Informationskanäle sind darum unumgänglich.

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Hochgeschwindigkeits-Bus zur Steuerung

Die Motoren der DLR-HIT-Hand II werden direkt in die Finger eingebaut. Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Information des Steuerungsrechners mit Positions- und Betriebsdaten zu legen. Nur so kann der diskrete Antrieb vor Ort seine Stärken voll ausspielen. Jedes Fingergelenk ist daher mit einem selbstentwickelten kontaktlosen Winkelsensor und einem Drehmomentsensor ausgestattet. Beide Sensoren müssen anwendungsbedingt sehr hoch auflösen. Ein Hochgeschwindigkeits-Bus überträgt die anfallende Datenflut. Eine schnelle Rückkopplung für den Vergleich von Soll- und Istwert ist ausschlaggebend für die Funktion der Steuerung, dies besonders bei präzisen und filigranen Anwendungen. Daher ist neben der Datenmenge vor allem auch die Übertragungsgeschwindigkeit von zentraler Bedeutung. Der speziell für diese Anwendung entwickelte handinterne, echtzeitfähige 25-Mbps-Hochgeschwindigkeits-Bus basiert auf FGPAs (Field Programmable Gate Arrays). Für die externe serielle Verbindung von Hand und Steuerungsrechner sind nur drei Leitungen nötig. Die eigentliche Steuerung, ein Signalprozessor auf einer PCI-Einsteckkarte, ist in einem handelsüblichen PC integriert. Eine bedienerfreundliche Schnittstelle ermöglicht so die Steuerung der Hand vom PC aus. Alle Sensordaten können dabei auf dem Bildschirm angezeigt werden. Datendarstellung, Steuerung und die Verbindung von der Hand zum Rechner wurden im Hinblick auf zukünftigen Einsatz in industrieller Umgebung von Anfang an praxistauglich ausgelegt.

Flat-Motoren als Antrieb in den Fingern

Jeder Finger benötigt mehrere, voneinander unabhängig ansteuerbare Antriebe. Im vorliegenden Fall sind pro Hand 15 bürstenlose Gleichstrommotoren mit Hallsensoren im Einsatz. Die Antriebe EC 20 flat von Maxon Motor erfüllen gleich mehrere entscheidende Anforderungen. Es sind preiswerte, kommerziell verfügbare Produkte mit hoher Leistungsdichte bei geringstem Bauvolumen. Die Motoren inklusive Hallsensoren bilden eine Einheit von nur 10,4 Millimeter Länge bei einem Außendurchmesser von 21,2 Millimeter. Jeder Motor wiegt 15 Gramm. Sie werden mit den Harmonicdrive-Getrieben der Reihe HDUC 05 mit gleichem Durchmesser zu einer Einheit verbunden. Die Drei-Watt-Motoren sind in einer Zwölf- oder 24-Volt-Ausführung erhältlich und leisten ein maximales Drehmoment von 8,04 Millinewtonmeter. Ein nach Herstellerangaben gutes dynamisches Verhalten und vorgespannte Kugellager sorgen für präzises Ansprechverhalten auf Steuerungsbefehle, auch bei Drehrichtungswechsel. Die digitalen Hallsensoren melden der Steuerung dabei immer exakt die tatsächliche Position. Die Motoren drehen im Leerlauf mit 9.300 Umdrehungen pro Minute. Dank der kompakten Antriebstechnik mit Rückmeldung und schneller Datenübertragung per Bus-Technik ist die neue DLR-HIT-Hand II sehr feinfühlig und präzise zu steuern. Mikromechanik und Mikroelektronik sind abgestimmt. Heute lassen sich mit Standardbauteilen und einem guten Konzept Produkte herstellen, die früher selbst mit teuren Spezialentwicklungen undenkbar waren.

Beni Anderhalden/pb

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