Humanoide Roboter sind ausgestattet mit gelenkigen Gliedmaßen, können dank Künstlicher Intelligenz autonom arbeiten und verfügen über Feinmotorik sowie Maschinelles Lernen. In Sachen Hardware sind die gerade Aktuatoren von zentraler Bedeutung für die Ausführung menschenähnlicher Bewegungen.
Diese antriebstechnischen Bauteile fungieren als robotisches Äquivalent zu menschlichen Gelenken und Muskeln. Je mehr Freiheitsgrade benötigt werden, desto mehr Aktuatoren sind erforderlich. Aktuell sind humanoide Roboter in der Lage, zwischen 16 und 60 Freiheitsgrade zu realisieren.
Faktoren zur Auswahl von Motoren für humanoide Roboter-Gelenke
Humanoide Bewegungen lassen sich durch elektrische, hydraulische oder pneumatische Antriebssysteme steuern. Derzeit ist es die vorherrschende Praxis, in jedem Gelenk einen direkt angetriebenen, rahmenlosen Torquemotor zu verwenden. Torquemotoren sind hochpolige, elektrische Direktantriebe mit hohem Drehmoment bei gleichzeitig relativ kleinen Drehzahlen. Bei der Motorauswahl für die humanoiden Roboter gibt es einige Aspekte zu beachten.
Präzision
Damit der Roboter kontrollierte, fließende und vielseitige Bewegungen ausführen kann, ist die Präzision des Motors äußerst wichtig. Je präziser der Antrieb ist, desto direkter wird die Verbindung zwischen der Bewegung des Roboters und seiner Sensorik und Kameratechnik.
Jeder Gelenkpunkt ist durch dreidimensionale Vektoren definiert. Für die höchstmögliche Präzision ist es sehr wichtig, dass die Motoren, gerade in der Summe von mehreren Gelenkpunkten, immer die richtige Position einnehmen. Denn selbst minimale Abweichungen in den einzelnen Gelenken, wie etwa Hüfte, Knie und Fußgelenk, akkumulieren sich sonst insgesamt zu gravierenden Fehlpositionierungen. Die Präzision eines elektrischen Motors steigt dabei mit der sogenannten Polpaarzahl, die ein wesentlicher Faktor für das Verhalten des Motors ist, weil sie direkte Auswirkungen auf Steuerung, Positionierung und Regelbarkeit des Motors hat.
Beim Design ihrer Frameless-Servomotoren legt die TQ-Group ein besonderes Augenmerk darauf, eine hohe Polpaarzahl zu realisieren. TQ-Elektromotoren bieten eine sehr präzise Positions- und Drehmomentregelung über ein breites Spektrum an Bedingungen, von niedriger Geschwindigkeit und hohem Drehmoment bis hin zu hoher Geschwindigkeit und niedrigem Drehmoment. Dies ist entscheidend für die natürlichen, fließenden Bewegungen, die von humanoiden Robotern erwartet werden.
Reaktionszeit und Dynamik
Damit ein humanoider Roboter wie ein Mensch flexibel und schnell auf Veränderungen in der Umwelt reagieren kann, sind eine ausgezeichnete dynamische Kontrolle und Ansteuerbarkeit sowie eine schnelle Reaktionszeit ausschlaggebend.
Wie erreicht ein elektrischer Aktuator nun diese hohe Reaktionszeit und Dynamik? Um in Echtzeit reagieren zu können, werden für eine kurze Zeit sehr hohe Drehmomente benötigt, um beispielsweise die Fußbewegung schnell zu antizipieren. Dieses Drehmoment ist dann für einen kurzen Augenblick um ein Vielfaches erhöht. Dies wird auch als Überlastfähigkeit eines Servomotors und als Spitzendrehmoment bezeichnet.
Der Spitzendrehmoment der TQ-Motoren (also das maximale Drehmoment, das ein Motor kurzfristig erzeugen kann) ist etwa um ein Dreifaches höher als ihr Nenndrehmoment bzw. der konstante Wert, der langfristig erreichbar ist. Konkret erreichen die TQ-Motoren einen Spitzendrehmoment im zweistelligen Newtonmeterbereich (Nm).
Effizienz und Energieverbrauch
Die Effizienz (sprich die Verlustleistung über die Akkulaufzeit) entscheidet darüber, wie lange ein batteriebetriebener humanoider Roboter arbeiten kann. Dabei gilt: Höchste Effizienz, aufgrund von geringem Kupferverlusten, verlängert die Akku-Laufzeit. Solche Kupferverluste werden durch den elektrischen Widerstand der Wicklungen in einem Motor verursacht und in Form von Wärme abgegeben. Motoren mit einer hohen Verlustleistung brauchen viel Strom, was die Akkulaufzeit verkürzt und damit die Arbeitsdauer begrenzt.
Der Faktor Effizienz spielt bei einem humanoiden Roboter eine wesentlich wichtigere Rolle als bei einem kollaborativen Roboter (Cobot), der permanent am Stromnetz angeschlossen ist. Für den Einsatz von humanoiden Robotern in der Praxis ist eine hohe Effizienz der Motoren daher mit ausschlaggebend für seinen kontinuierlichen Einsatz. Die TQ-Torquemotoren haben einen Wirkungsgrad von 90 Prozent oder höher und erreichen besonders geringe Kupferverluste in Watt.
Drehmomentdichte und Kompaktheit
Die Drehmomentdichte eines Elektromotors ist ein Maß dafür, wie viel Drehmoment der Motor pro Volumeneinheit oder pro Gewichtseinheit erzeugen kann. Sie ist ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit und Kompaktheit eines Motors und insbesondere für diejenigen Anwendungen wichtig, bei denen das Gewicht ausschlaggebend ist – zum Beispiel in der Robotik.
Das Gesamtgewicht eines humanoiden Roboters wird maßgeblich vom Gewicht der Achsen bestimmt: Je leichter die Motoren in den Achsen , desto geringer das Gesamtgewicht. Dies bewirkt wiederum eine längere Akku-Laufzeit, die eine höhere Traglast und damit auch insgesamt eine höhere Dynamik des Roboters ermöglicht.
Die TQ-Motoren sind besonders drehmomentdicht, das heißt sie können bei gleicher Größe das doppelte Drehmoment bzw. bei halber Größe das gleiche Drehmoment erzielen. Das erreicht TQ durch eine spezielle Wicklungstechnologie, die den Kupferfüllfaktor im Vergleich zu herkömmlich gewickelten Elektromotoren maximiert.
Das kompakte Design des Antriebs ermöglicht eine effiziente Raumausnutzung und Gewichtsreduzierung, senkt den Schwerpunkt des Roboters, verbessert die Stabilität und ermöglicht es dem Roboter, sich in engen Räumen zurechtzufinden und beim Manövrieren das Gleichgewicht zu halten. Ein zusätzlicher Vorteil der Motoren ist ihre große Hohlwelle, um Kabelbäume intern zu verlegen und ein sauberes Roboter-Design zu erreichen.
Robustheit und Zuverlässigkeit
Auch die Robustheit und Zuverlässigkeit der Motoren sind wichtige Faktoren für Anwendungen der humanoiden Robotik. Insbesondere in der Testphase kommt es noch häufig zu Stürzen. Ein robustes, wartungsfreies Design stellt sicher, dass die Gelenke trotz der zu durchlaufenden Lernkurve intakt und funktionsfähig bleiben.
Auch in industriellen Anwendungsszenarien kann es vorkommen, dass ein humanoider Roboter, der schwere Lasten heben muss, Gegenstände fallen lässt oder plötzlichen Stößen ausgesetzt ist. Die Robustheit der Gelenke des Roboters schützt vor Beschädigungen und gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb auch unter anspruchsvollen Bedingungen.
Den größten Herausforderungen müssen sich Antriebe im Weltall stellen. Selbst bei Temperaturschwankungen von –40°C bis +125°C müssen sie hier zuverlässig funktionieren. Auf der ISS kam ein ILM-E Motor von TQ unter anderem im Arm des Roboters ROKVISS zum Einsatz und führte präzise Arbeiten in der Schwerelosigkeit durch – über fünf Jahre hinweg in Hunderten von Tests, stets zuverlässig und mit höchster Leistungsfähigkeit.
Standard-Motoren oder maßgeschneiderte Lösung?
Robotik-Hersteller stehen zudem vor der Frage, ob sie sich für einen Motoren-Hersteller entscheiden sollen, der Standard-Komponenten liefert, oder ob sie auf eine kundenspezifische Lösung setzen sollen. Bei TQ erhalten Kunden eine Auswahl an Standardgrößen, die sich auf Wunsch jedoch maßgeschneidert an die kundenspezifische Applikation anpassen lassen. Der Vorteil der Frameless-Servokits von TQ ist dabei, dass sie in Durchmesser und ihrer sogenannten Stack-Länge modifizierbar sind und ihre Performance und Dimensionierung somit an die kundenspezifische Applikation anpassbar sind.
Insbesondere bei Stückzahlen von nicht mehr als ein paar Hundert Einheiten pro Jahr, kann eine kundenspezifische Lösung die beste Option sein. Sie ermöglicht die vollständige Kontrolle über Design, Materialien und den Herstellungsprozess.
„Hardware is hard“
Die Redewendung „Hardware is hard“ ist bei der Entwicklung und Produktion von Roboterachsen und der dafür nötigen Komponenten treffend. Denn die Kernkompetenz von Herstellern humanoider Robotik findet sich oft in den Bereichen Künstlicher Intelligenz und Software, Erfahrungswerte in der Industrialisierung von Robotern und der Entwicklung von Mechatronik hingegen sind selten vorhanden. Dazu kommt, dass die Entwicklung und Produktion eines derart komplexen Systems, wie eine Roboterachse, oft unterschätzt wird. TQ ist in Deutschland einer der wenigen Anbieter, der komplette Roboter industrialisieren kann und das bereits unter Beweis gestellt hat.
https://www.tq-group.com/de/produkte/tq-robodrive/
Zum Autor:
Robert Vogel ist Sales & Business Development Manager im Bereich TQ-RoboDrive, ein Geschäftsbereich der TQ-Group, der maßgeschneiderte Antriebssysteme für anspruchsvolle Anwendungen wie die Robotik entwickelt und produziert. Robert Vogel ist Wirtschaftsingenieur und seit mehr als 20 Jahren in den Branchen Automatisierung und Robotik tätig.
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