Präzisionsantriebe Antriebstechnik bewegt die Robotik

Autor / Redakteur: Andreas Seegen und Nora Crocoll / Stefanie Michel

Roboter übernehmen schon heute zahlreiche Aufgaben, doch ohne passende Antriebe wäre das nicht möglich. Sie müssen vielfältigste Anforderungen erfüllen, kommunikativ sein und sich in einen Automatisierungsverbund einbinden lassen.

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Roboter finden heute in vielen Bereichen ihren Einsatz – neben dem Maschinen- und Automobilbau auch in der Medizintechnik oder in der Kanalisation (siehe Bild).
Roboter finden heute in vielen Bereichen ihren Einsatz – neben dem Maschinen- und Automobilbau auch in der Medizintechnik oder in der Kanalisation (siehe Bild).
(Bild: Dr. Fritz Faulhaber)
  • Der Einsatz von Robotern steigt stetig, weil sie dem Menschen ermüdende Arbeiten abnehmen können – egal ob in der Fertigung, in der Logistik oder in der Medizin.
  • Ganz gleich, welche Aufgaben die Roboter übernehmen: Sie brauchen Antriebe, die möglichst kompakt und leicht sind, aber dennoch eine hohe Leistungsdichte besitzen.
  • Faulhaber zeigt anhand von Beispielen, welche Antriebe in Robotern unterschiedlichster Anwendungen zum Einsatz kommen und warum sie kommunikationsfähig sein müssen.

Die Argumente für den Einsatz von Robotern sind heute vielfältig. Mit zunehmendem Fachkräftemangel werden wir künftig mehr denn je auf ihre Hilfe angewiesen sein. Sie unterstützen den Menschen zum Beispiel dabei, dass er mehrere Prozesse parallel erledigen, produktiver arbeiten und zuverlässigere Ergebnisse erzielen kann. Mehr und mehr werden in Zukunft Roboter Menschen bei ermüdenden, stupiden, wiederkehrenden Arbeiten helfen und in vielen Anwendungsfällen höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit bieten können als der Mensch. Das gilt zum Beispiel für die Fertigungstechnik, die Logistik, aber auch für die Medizintechnik. In vielen Bereichen wird es künftig nicht mehr ohne Robotik gehen.

Viele Anforderungen an die Antriebe

Um etwas zu bewegen, brauchen Roboter allerdings Antriebe, die vielseitige Anforderungen erfüllen müssen. Fast allen Anwendungen gemeinsam ist der geringe Einbauplatz und damit die Forderung nach kompakten und oft auch leichten Antriebseinheiten. Muss beispielsweise der Roboterarm ausgefahren werden, sitzt die Antriebseinheit weit oben in vertikal maximalem Abstand zum Roboterschwerpunkt. Bei diesem langen „Hebelarm“ würde ein schwerer Antrieb leichter dafür sorgen, dass der Roboter kippt. Es wäre also ein Gegengewicht nötig, was das Gesamtgewicht des Roboters nochmals erhöht. Durch eine leichte Antriebseinheit kann jedoch auf das Gegengewicht verzichtet werden.

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Von den kleinen Antrieben werden außerdem meist hohe Drehmomente, gute Wiederholgenauigkeiten, große Dynamik und maximale Leistungsdichte gefordert. Gerade in der Zusammenarbeit mit menschlichen Kollegen müssen sie geräuscharm arbeiten, um die Konzentration nicht zu stören. Zudem sollen sie kommunikationsfreudig sein, damit sie sich mit anderen Komponenten im Roboter-Antriebsverbund zuverlässig „austauschen“ können. Besondere Anwendungen fordern zudem beispielsweise Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern, Vakuumfestigkeit oder geringen Energieverbrauch für den mobilen, batteriebetriebenen Einsatz. In manchen Fällen ist der zuverlässige Umgang mit Überlast bei hohen Drehzahlen gefragt. Je nach Anwendung müssen lange Verfahrwege oder Rotationen realisiert werden, sind selbsthemmende Antriebe gefordert oder solche mit extrem geringem Spiel. Andernorts ist die Sterilisierbarkeit der Antriebe essenziell. Kurz: die Anforderungen sind sehr vielfältig.

Faulhaber-Antriebe in der Robotik: Hier kommen sie zum Einsatz

Operieren mit höchster Präzision

Die Antriebsexperten von Faulhaber kennen all diese Anforderungen und haben bei den unterschiedlichsten Robotiklösungen mitgewirkt. Die Einsatzbereiche der Antriebe reichen von Kanalisationsrobotern über Roboter für Handling und Logistik bis hin zu OP-Anwendungen.

Mittlerweile gibt es fast kaum einen medizinischen Eingriff, bei dem ein roboterunterstütztes Operieren nicht möglich wäre: Das reicht von Eingriffen an der Wirbelsäule über die Neurochirurgie bis hin zu Operationen am Herz oder im Auge. Auch vor Haartransplantationen macht die Robotik nicht Halt.

Was für den Einsatz von Robotern im OP-Saal spricht, liegt auf der Hand: Ein Roboter wird nicht müde, bietet höchste Präzision und Schnelligkeit sowie optimale Ergonomie. Experten gehen davon aus, dass sie die Arbeit im OP künftig revolutionieren werden. Der Chirurg steuert dann von einer OP-Konsole via Joysticks die Roboterarme, die für den Eingriff am OP-Tisch eingesetzt werden. Auch nach einer 24-Stunden-Schicht schneidet der Roboter absolut präzise und ohne Zittern. Rechnergestützt kann der Roboter jederzeit prüfen, ob der Arzt noch genau da operiert, wo es notwendig ist. Im Zweifel kann das System den Arzt stoppen und so potenzielle Behandlungsfehler verhindern. Hochdynamische, präzise Antriebssysteme sind für diesen Anwendungsfall gefragt. Antriebssysteme von Faulhaber bieten hier dank ihrer eisenlosen Wicklungstechnik und flacher Drehzahl-/Drehmomentkennlinie die erforderlichen Eigenschaften, wie etwa exakte Positionierung und Drehzahlkontrolle.

Je mehr robotergestütztes Operieren in unterschiedlichsten Disziplinen eingesetzt wird, desto mehr steigt auch der Bedarf an Antriebssystemen, etwa für die Positionierung von Roboterarmen. Hier sind hochdynamische Systeme gefragt, die in kürzester Zeit die volle Drehzahl liefern. Dank modular aufgebautem Baukastensystem lassen sich bei Faulhaber im Standardprogramm rasch individuell passende Lösungen bestehend aus Antrieb, Getriebeeinheit und Motion Controller zusammenstellen. Die Kleinstmotoren stehen mit Durchmessern von 6 bis 22 mm zur Verfügung und lassen sich für besondere Anforderungen zudem noch modifizieren. Zu den häufigsten Anpassungen gehören beispielsweise Vakuumtauglichkeit, Erweiterung des Temperaturbereichs, modifizierte Wellen, andere Spannungstypen sowie kundenspezifische Anschlüsse oder Stecker.

Kommissionier-Roboter für die Logistik 4.0

Angesichts des zunehmenden Onlinehandels verändern sich auch Logistik und Materialfluss zunehmend. Hohe Löhne einerseits und der Fachkräftemangel andererseits treiben bei personalintensiven Tätigkeiten die Automatisierung voran. Gerade für den Abend oder fürs Wochenende, wenn viele Bestellungen eingehen, sind Mitarbeiter schwer zu finden. Selbstdenkende und selbststeuernde Lager gelten als Alternative. Ein Baustein dafür sind autonom fahrende und selbstständig handelnde Logistikroboter, die ebenfalls passende Antriebstechnik benötigen.

Für solche Szenarien entwickelt und baut das Münchner Start-up Magazino wahrnehmungsgesteuerte, mobile Roboter. Eine Entwicklung ist der Kommissionierroboter Toru, der den stückgenauen Zugriff auf einzelne Objekte ermöglicht. Der Roboter besteht aus einer mobilen Basis, einer ausfahr- und drehbaren Säule mit Greifsystem und einem herausnehmbaren Regal. Der adaptive Greifarm kann verschiedene quaderförmige Objekte greifen. Mithilfe von Kameras, Sensorik, entsprechender Bildverarbeitung und Künstlicher Intelligenz erfasst der Roboter seine Umwelt, interpretiert sie und trifft darauf basierend verschiedene Entscheidungen. Neben den eingesetzten Vision-Lösungen und der Roboterintelligenz ist auch zuverlässige Antriebstechnik gefragt. Die Pakete holt Toru mithilfe von Unterdruck aus dem Regal. Um vor dem Ansaugen die Lücke zwischen Regalboden und dem Logistikroboter zu schließen und das Paket auf einer ebenen Fläche herausziehen zu können, wird eine Metallzunge ans Regal herangefahren. Diese Aufgabe übernimmt ein Faulhaber-Antriebssystem bestehend aus bürstenlosem DC-Servomotor der Serie BX4, Motion Controller und Planetengetriebe. Auch für die Bewegung des Sauggreifers sorgen Antriebe des gleichen Typs.

Zieht der Greifarm Produkte aus dem Regal, ist gerade zu Beginn das Losbrechmoment sehr hoch. Gefragt war also ein Antrieb mit hoher Leistungsdichte, der auch kurzzeitig ein sehr hohes Drehmoment bieten kann. Der eingesetzte, überlastfähige Antrieb liefert mit einer Leistung von 62 W im Dauerbetrieb Nennmomente bis 72 mNm, verkraftet aber auch kurzzeitige Spitzenmomente bis 99 mNm. Da beim Auslagern der Waren die Zeiträume der Überlastungen immer nur sehr kurz andauern und die Abstände dazwischen verhältnismäßig lang ausfallen, besteht nicht die Gefahr, dass der Antrieb überhitzt. Mit einem Durchmesser von gerade einmal 32 mm und einer Länge von 85,4 mm sind die bürstenlosen DC-Servomotoren zudem sehr kompakt. Damit ist es möglich, den Greifer sehr flach zu konstruieren, sodass er auch Pakete aufnehmen kann, die knapp über dem Boden gelagert sind.

Aus Komponenten werden kommunikative Antriebe

Leistungsstarke Motorfamilien wie die BX4 oder BP4 sowie die neue BXT-Baureihe lassen sich, kombiniert mit weiteren Komponenten wie verschiedenen Getrieben, optischen, magnetischen oder absoluten Encodern sowie Speed beziehungsweise Motion Controllern, flexibel an anspruchsvolle Robotikanwendungen anpassen.

Wenn intelligente Gesamtsysteme entstehen sollen, müssen die Antriebe ihr „Wissen“ auch untereinander austauschen und zuverlässig miteinander kommunizieren können. Zudem sollten sie sich zuverlässig in den Automatisierungsverbund einbinden lassen. Die Faulhaber-Antriebe unterstützen dafür die Kommunikation über CANopen.

* Dipl.-Ing. Nora Crocoll ist Redakteurin im Redaktionsbüro Stutensee. Dipl.-Ing. Andreas Seegen ist Leiter Marketing bei Faulhaber in 71101 Schönaich, Tel. (0 70 31) 6 38-0, info@faulhaber.de

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