Prognosen zufolge wird der Markt humanoide Roboter in den nächsten 10 bis 15 Jahren ein Volumen von über sechs Milliarden US-Dollar erreichen.1 Viele wissenschaftliche Einrichtungen und Start-ups haben dies erkannt und versuchen nun, möglichst schnell Konzepte und Prototypen zu entwickeln, um der Konkurrenz einen Schritt voraus zu sein. Das Ziel sollte jedoch sein, einen Roboter zu entwerfen und zu bauen, der leicht hergestellt und vermarktet werden kann - einen Humanoiden, der von den Kunden akzeptiert wird.
Da den etablierten Robotikunternehmen die Entwicklungs- und Produktionsressourcen fehlen, beginnen die Entwicklungsteams, die häufig an Universitäten angesiedelt sind, mit der Lösung der Herausforderungen, mit denen sie am besten vertraut sind. In Bezug auf die Roboterantriebe bedeutet dies, dass zunächst ein Konzept für die Aktuatoren erstellt werden muss, mit denen die Bewegung der Robotergelenke gesteuert wird.
Beispielsweise kann der Entwurf eines Aktuators im Rahmen einer Dissertation beginnen, mit dem anfänglichen Ziel, das Verhalten einer einzelnen Achse gemäß einer bestimmten Spezifikation zu erreichen. Humanoide Roboter besitzen jedoch ohne weiteres 40 oder sogar noch mehr verschiedene Gelenke mit sehr unterschiedlichen Antriebsanforderungen – von Fußgelenken, Knien und Hüften, die das gesamte Gewicht des Roboters tragen und ausbalancieren müssen, bis zu den Schultern, Ellbogen und Handgelenken, die Lasten über einen großen Bewegungsbereich hinweg präzise handhaben müssen.
Der Übergang von einem Konzept mit nur einer Achse zu einem funktionsfähigen mehrachsigen Prototyp erfordert Aktuatoren, die so konstruiert und dimensioniert sind, dass sie die vielen unterschiedlichen Anforderungen aller Gelenke eines Humanoiden erfüllen. Die Realisierung einer derart umfangreichen Integration auf Basis des ursprünglichen Aktuatorkonzepts ist eine wesentliche Hürde auf dem Weg zu einem fertigungs- und marktfähigen Humanoiden.
Kollmorgen verfügt über umfassende Erfahrungen bei der Unterstützung von Robotikingenieuren bei der Umsetzung ihrer Konzepte vom Konzept bis hin zum erfolgreichen und marktfähigen Produkt. Diese drei Tipps unterstützen Sie bei der Realisierung eines hervorragend integrierten und äußerst leistungsfähigen Humanoiden.
1: Die Dinge einfach halten – von Anfang an
Die Aktuatoren Ihres humanoiden Roboters haben unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen. Eine Vereinfachung des Gesamtkonzepts erweist sich daher als echte Herausforderung. Viele Konstruktionsteams arbeiten zunächst an der Auslegung und Optimierung einzelner Aktoren, stehen dann aber vor der Aufgabe, das gesamte Roboterkonzept optimal aufeinander abzustimmen.
Dies erfordert in der Regel den Übergang von der F&E-Phase zu einer Investitionsphase, in der das notwendige Risikokapital beschafft wird, damit das Unternehmen eigenständig arbeiten kann. Bis zu einem perfekt funktionierenden Roboter können mehrere Varianten von Prototypen entwickelt werden. Sobald das Konzept steht, muss die Lösung so skaliert werden, dass sie entweder zum Verkauf oder als Dienstleistung vermarktet werden kann.
Gerade in dieser Phase der Produktentwicklung können Unternehmen auf versteckte Risiken in ihrem Entwicklungsprozess stoßen: Ein Roboter, der als Prototyp hervorragend funktioniert, dessen Serienfertigung sich aber als schwierig oder sehr teuer erweist. Humanoide sind aufgrund ihrer vielen beweglichen Teile so komplex, dass der Aspekt der Herstellbarkeit in der Entwurfsphase schnell aus den Augen verloren wird. Werden Probleme mit der Herstellbarkeit zu spät erkannt, kann dies zu kostspieligen Nachbesserungen führen oder man muss sich mit einem Roboter begnügen, der in der Herstellung zu teuer ist und möglicherweise vom Markt nicht angenommen wird.
Um dieses Risiko zu minimieren, wird empfohlen, zunächst verschiedene Aktorkonzepte zu entwickeln, die auf einer gemeinsamen Grundarchitektur basieren, aber flexibel in Größe und Drehmoment skaliert werden können, um den Anforderungen der verschiedenen Gelenke des humanoiden Körpers gerecht zu werden. Ein Aktuator, der in der Forschungs- und Entwicklungsphase perfektioniert wurde, kann für ein bestimmtes Arm- oder Beingelenk gut funktionieren, aber zu groß, zu schwer oder zu teuer sein, um in anderen Gelenken des vollständigen Robotermodells gut zu funktionieren.
Um die Kosten im Rahmen zu halten und die Herstellbarkeit zu gewährleisten, sollten Konstruktionselemente verwendet werden, die für Gelenke mit ähnlicher Funktion üblich sind, z. B. Dreh- oder Linearantriebe, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Konstruktion je nach Bedarf verkleinert oder vergrößert werden kann. Wenn von Anfang an ein ganzheitlicher Systemansatz verfolgt wird, ist die Integration von Motoren und anderen Gelenkkomponenten in das fertige Roboterkonzept wesentlich einfacher.
2: Getriebe- und Motorkonstruktionen wählen, die die Anforderungen (fast) aller Gelenke erfüllen
Beim Menschen bewegen sich Knie, Hüften, Schultern, Ellenbogen und viele andere Gelenke äußerst dynamisch und koordiniert zusammen. Um diese Fähigkeiten zu simulieren, benötigen humanoide Roboter oft 40 oder mehr Freiheitsgrade. Die Ingenieure müssen diese Achsen einzeln modellieren, um die genauen Anforderungen an das Ausgangsdrehmoment jedes Getriebes zu ermitteln.
Auf der Grundlage dieser Analyse kann die am besten geeignete Verzahnung für jedes Gelenk bestimmt werden. Wir sind der Meinung, dass sich die Auslegung des Motors grundsätzlich nach der Auslegung des Getriebes richten sollte und nicht umgekehrt. Wellgetriebe, auch Spannungswellengetriebe genannt, bieten für die meisten Gelenke humanoider Roboter die leichtesten und kompaktesten spielfreien Gelenkkonstruktionen - entscheidend für die Optimierung der Gesamtgröße und Präzision Ihres Roboters.
Wellgetriebe verfügen in der Regel über ein Untersetzungsverhältnis im Bereich von 80:1 bis 180:1. Damit Humanoide ihr Gleichgewicht halten und in schwierigen Umgebungen effektiv arbeiten können, benötigen sie Gelenke, die verhältnismäßig schnell beschleunigen und abbremsen können. Diese Getriebe müssen mit Motoren ausgestattet werden, die ein gleichmäßiges Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich hinweg bereitstellen können, einschließlich Drehzahlen im Bereich von 2000 U/min oder mehr.
Aus Kosten- und Fertigungsgründen empfiehlt sich der Einsatz von Wellgetrieben, die standardmäßig in verschiedenen Größen erhältlich sind und den Anforderungen der meisten Drehgelenke entsprechen. Wählen Sie dann eine Motorkonstruktion, die den Anforderungen an Durchmesser, Drehzahl und Abtriebsdrehmoment des ausgewählten Wellgetriebes entspricht.
3: Die gehäuselosen TBM2G-Servomotoren von Kollmorgen erleichtern die Integration
Nahezu alle derzeit angebotenen gehäuselosen Servomotoren wurden für andere Anwendungen als Robotergelenke entwickelt. Beispielsweise bieten speziell für Drohnen entwickelte Motoren nur in einem engen Drehzahlbereich ein optimales Drehmoment. Die TBM2G-Motoren von Kollmorgen sind anders. Sie sind speziell für den Einsatz in Robotern konzipiert.
Die TBM2G-Motoren sind so dimensioniert, dass sie leicht in die gängigen Wellgetriebe integriert werden können, die besonders für den Einsatz in Robotergelenken geeignet sind. Und sie sind in einer Vielzahl von Größen erhältlich, so dass sie in praktisch alle Gelenke von Menschen passen - von den großen Hüft- und Kniegelenken bis hin zu den kleineren, kompakteren Gelenken in Schultern, Ellbogen und Handgelenken. Während die meisten gehäuselosen Motoren nur in zwei oder drei Baugrößen erhältlich sind, sind die TBM2G-Motoren in sieben verschiedenen Durchmessern von 50 mm bis 115 mm und drei Stapellängen von 8 mm, 13 mm und 26 mm erhältlich — also in insgesamt 21 verschiedenen Größen.
Darüber hinaus sind diese Motoren so ausgelegt, dass sie über den gesamten Drehzahlbereich ein gleichmäßiges Drehmoment liefern und so den außergewöhnlich dynamischen Bewegungsanforderungen gerecht werden, mit denen sich Humanoide von vielen anderen Roboteranwendungen unterscheiden. Und sie erbringen außergewöhnliche Leistungen bei einer maximalen Wicklungstemperatur von nur 85 °C. Andere Motoren dieser Klasse erreichen ihre volle Leistung erst bei Betriebstemperaturen von 155 °C, also bei Temperaturen, bei denen sich Getriebeschmierstoffe sehr schnell zersetzen und die Zuverlässigkeit elektronischer Rückführungskomponenten beeinträchtigt wird.
Bonus-Tipp: Arbeiten Sie mit einem Experten zusammen.
Kollmorgen ist mehr als nur ein Lieferant von Antriebslösungen. Wir verfügen über mehrere hundert Jahre Erfahrung und haben bereits Tausende von Anwendungen zum Erfolg geführt. Wir unterstützen Sie gerne bei Ihren Robotik-Projekten. Wir wissen, worauf es bei Roboterantrieben ankommt, ob es sich nun um hochproduktive Industrie-Cobots, hochpräzise und feinfühlige Roboter für die Chirurgie oder um die neueste Generation humanoider Roboter handelt, die dem Menschen repetitive, anstrengende und manchmal auch gefährliche Tätigkeiten abnehmen, gleichzeitig die Produktivität steigern und völlig neue Möglichkeiten eröffnen.
Sind Sie bereit, Ihre Idee von einem humanoiden Roboter zum Leben zu erwecken? Kontaktieren Sie uns unter www.kollmorgen.com/de-de/service-and-support/kontakte, um Ihre Anforderungen und Ziele mit einem Experten für Robotertechnik von Kollmorgen zu besprechen.
1. Humanoid Robots: Sooner Than You Might Think, Goldman Sachs, 15. November 2022
