Elektromotor

Motoren sorgen bei Robotern für den aufrechten Gang

12.10.2010 | Redakteur: Reinhard Kluger

Die vielseitige Welt der maxon-Motoren Bilder: Maxon

Präzise Elektromotoren sind die künstlichen Muskeln eines Roboters. maxon motor stellt solche Antriebe her. Ein Augenschein auf die Technologie und deren Einsatz in der Praxis.

Arm anwinkeln, Handfläche ausstrecken, Finger spreizen; dann das Ganze hin und her schwenken lassen. Nur schon der grobe Ablauf einer vermeintlich einfachen Wink-Bewegung setzt die Bewegung verschiedener Gelenke voraus. Beim Menschen erledigen dies Muskeln, die durch den Ablauf von Zusammenziehen (Kontraktion) und Erschlaffen (Relaxation) Körperteile bewegen. Ein Roboter muss auf andere Techniken zurückgreifen: Um vorwärtszukommen, verwendet er Elektromotoren. Dabei handelt es sich oft um Gleichstrommotoren, auch DC-Motoren genannt. DC steht dabei für „direct current“.

Grundsätzlich sorgt ein DC-Motor durch Links- und Rechtsdrehen für Bewegung. Im realen Einsatz gestal-tet sich das aber nicht immer so einfach, wie es sich aufs Erste anhört. So ist für einen modernen Roboter besonders wichtig, dass seine Bewegungsabläufe präzise, dynamisch und mit möglichst wenig Aufwand an Energie durchgeführt werden. Gleichzeitig sollen die einzelnen Komponenten möglichst klein und leicht sein. Das bringt mehr Agilität und spart Kraft. Beim Menschen ist das nicht anders.

maxon motor hat sich seit mehr als 40 Jahren auf die Entwicklung von Gleichstromantrieben und Syste-men bis 500 Watt Leistung spezialisiert. Permanentmagnetisch erregte Gleichstrommotoren spielen eine Schlüsselrolle im Umfeld ungebremst voranschreitender Miniaturisierung in der Antriebstechnik und der resultierenden Forderung nach immer mehr Leistung auf immer kleinerem Raum.

Antriebe für die Robotik geschaffen

Präzis, kompakt, effizient: Dies sind die wesentlichen Anforderungen an das Antriebskonzept eines Robo-ters. Wieso gerade eisenlose Gleichstrommotoren diese Anforderungen am besten erfüllen, zeigen die Produkte von maxon motor. Das „Herzstück“ eines zylindrischen maxon-Gleichstrommotors ist der eisen-lose Rotor, eine selbsttragende Kupferwicklung. Die Vorteile dieser Technologie sind beachtlich:

In konventionellen Gleichstrommotoren mit Eisenkern werden die weichmagnetischen Zähne des Rotors durch die in der Nähe befindlichen Permanentmagnete polarisiert und angezogen. Eine Bewegung zum folgenden Magnetpol erfordert eine Ummagnetisierung. Der Rotor versucht an diesen Vorzugspositionen zu verharren und ohne Bestromung hält der Motor nur an ganz bestimmten Stellen an. Dieses so genann-te Rastmoment führt dazu, dass das erzeugte Drehmoment eine starke Welligkeit aufweist.

Kein Rastmoment, hoher Wirkungsgrad

maxon-Motoren sind rastmomentfrei, da ihr Rotor kein Eisen enthält. Daraus leiten sich folgende Vorteile ab:

  • kein magnetisches Rastmoment und daher ruckfreier Lauf auch bei kleinen Drehzahlen,
  • einfache Regelung jeder beliebigen Rotorposition,
  • wenig Vibrationen und
  • geringe Geräuschentwicklung

Bei maxon DC-Motoren ist die Magnetisierung des Stators fest eingeprägt und der Rotor ist ohne Eisen ausgeführt. Deshalb treten auch keine Eisenverluste auf. Als Eisenverluste bezeichnet man Leistungsver-luste während dem Betrieb, die im Eisen durch das fortlaufende Ummagnetisieren und durch induzierte Wirbelströme entstehen.

maxon-Antriebe haben optimale Voraussetzungen für batteriebetriebene Anwendungen aufgrund…

  • des hohen maximalen Wirkungsgrads bis über 90 Prozent und
  • des tiefen Leerlaufstroms, typisch <50 mA.

Kleine Induktivität

Bei maxon-Motoren entfällt die hohe zusätzliche Induktivität des Eisenkerns. Für die Kommutierung muss weniger magnetische Energie geschaltet werden und die auftretenden Funken beim Öffnen des Kontaktes zwischen Bürste und Kollektorlamelle sind weniger ausgeprägt.

maxon DC-Motoren haben weniger Bürstenfeuer und deshalb…

  • ... eine höhere Lebensdauer und
  • weniger elektromagnetische Störungen.

Kompaktes Design: Dank des fehlenden Eisenkerns kann der Magnet bei maxon-Motoren Platz sparend im Zentrum angeordnet werden. Die gegenüber eisenbehafteten Motoren vorteilhaftere Magnetgeometrie ermöglicht ein ef?zienteres Design des Magnetkreises und eine hohe Induktionsfeldstärke im Luftspalt. Das Massenträgheitsmoment des Hohlzylinders beim maxon-Motor ist gegenüber dem Vollzylinder eines eisenbehafteten Rotors bedeutend kleiner und ergibt…

  • hohe Leistung auf kleinem Raum,
  • kompakte Bauform mit geringem Gewicht und
  • hohe Dynamik und schnelle Beschleunigung mit Hochlaufzeiten von nur einigen Millisekunden.

maxon DC-Motoren gibt es mit und ohne Bürsten. Der Vorzug von bürstenlosen DC-Motoren (aufgrund ihrer elektronischen Kommutierung auch EC-Motoren genannt) liegt vor allem in der längeren Lebensdau-er und der noch besseren Dynamik.

Die nachfolgend aufgeführten Beispiele zeigen die praktische Anwendung von maxon DC-Motoren im Umfeld der Robotik. In den beschriebenen Applikationen…

  • ermöglichen sie die einzelnen Funktionen – vom Gang bis zur Mimik – eines Humanoid-Roboters, unter Anderem für den Einsatz in Geriatriezentren,
  • treiben sie ein unterstützendes Hilfsskelett an und unterstützen Bewegungstherapie und Mobilisie-rung von Patienten mit neurologischen Einschränkungen oder helfen bei der Bewegung von schweren Lasten und
  • verhelfen sie Menschen mit Armprothesen zu neuer, verloren geglaubter Bewegungsfreiheit und ermöglichen ihnen Verrichtungen beinahe, als ob die Prothese die eigene Extremität wäre – rein durch das eigene Denkvermögen gesteuert.

Humanoide Roboter lernen das Laufen

Zweibeinige Roboter – auch Androiden genannt – ließen lange auf sich warten, weil die Imitation des menschlichen Gangs sich so schwierig gestaltet. Der menschliche Körper stellt seinen Gleichgewichtspunkt parallel zu den Änderungen seines Auflagepunkts und in Abhängigkeit vieler Faktoren ständig neu ein. Eine enorme Herausforderung für Forscher und Tüftler.

Roboter, die auf zwei Beinen stehen, sind grundsätzlich instabil. Das rührt daher, dass das Zentrum der Körperschwerkraft auf Taillenhöhe liegt und die Kontaktflächen mit dem Boden durch die Füsse relativ klein sind. Schon bei minimalen äusseren Störeinflüssen wie Bodenunebenheiten oder Hindernissen kann ein Roboter umfallen. Dass diese Herausforderungen aber zu meistern sind, zeigt das folgende Beispiel:

Der Androide «Albert Hubo» kann laufen, sprechen, Personen erkennen und sogar seine Gesichtszüge verändern. Ein spezielles Material mit dem Namen „Frubber“, das aus den Hollywood Filmstudios stammt, macht es möglich, die Mimik des Menschen nachzuahmen. Albert Hubo hat 66 Freiheitsgrade (aktive Gelenke) ist 137 cm groß, 57 kg schwer, komplett batteriebetrieben und soll als Unterhaltungsmedium und in der Altenpflege zum Einsatz kommen.

Für die Gesichts- und Körperbewegungen werden zahlreiche Elektromotoren eingesetzt. Allein im Gesicht sind es 28, um Ausdrücke wie Freude, Traurigkeit, Wut, Überraschung usw. zu erzeugen. Die sanften Körperbewegungen verdankt Albert Hubo vor allem auch den bürstenlosen und bürstenbehafteten DC-Motoren von maxon:

Für die Arme sind 14 Antriebe im Einsatz, die Hände benötigen weitere 10 Motoren, die Taille einen und die Beine werden von nochmals 10 Motoren angetrieben. Die Präzisionsmotoren haben Durchmesser von 10 bis 40 mm. Kleinere stecken beispielsweise in den Fingern, größere in Beinen und Rumpf.

Mehr Lebensqualität

Mehr Mobilität

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