Wie Gelenkmotoren die Zukunft von Roboterarmen neu definieren?

Der Aufstieg der verkörperten Intelligenz treibt das Design von Roboterarmen hin zu einem völlig neuen Paradigma. Sie sind nicht länger nur Werkzeuge zur Ausführung vorprogrammierter Trajektorien; vielmehr werden sie zu Erweiterungen des „propriozeptiven Körpers“ eines intelligenten Agenten in der physischen Welt—fähig zu aktiver Erkundung, geschickter Manipulation und sicherer Interaktion. Dieser grundlegende Wandel der Zielsetzungen stellt beispiellos strenge Anforderungen an die zugrunde liegende Hardwarearchitektur, Steuerlogik und das Software-Ökosystem von Roboterarmen. Welche Art von Gelenkmotoren müssen zukünftige Roboterarme also verwenden?

Funktionsprinzipien von Roboterarmen und Motoren

In Bezug auf die Funktionsprinzipien sind Roboterarme auf das koordinierte Zusammenspiel von Motoren, Treibern und hochpräzisen Sensoren angewiesen. Motoren fungieren als Energiequelle und liefern die Antriebskraft für die Bewegung. Treiber sind dafür verantwortlich, die Drehzahl und das Drehmoment des Motors präzise zu regeln, um sicherzustellen, dass die Bewegungen des Arms die gewünschte Genauigkeit erreichen. Sensoren überwachen kontinuierlich Informationen wie Gelenkposition und aufgebrachte Kraft; sobald eine Abweichung erkannt wird, wird die Rückmeldung schnell an das Steuerungssystem gesendet, damit Anpassungen vorgenommen werden können.
Wenn ein Roboterarm beispielsweise einen zerbrechlichen Gegenstand greifen muss, erfassen Sensoren die aufgebrachte Kraft und übermitteln diese Information sofort an das Steuerungssystem, sodass der Arm die Kraft sanft aufbringen und eine Beschädigung des Gegenstands vermeiden kann.

Kernfaktoren bei der Auswahl von Roboterarm-Gelenkmotoren

Gelenkmotoren (dieser Artikel behandelt hauptsächlich Rotationsausführungen) integrieren im Allgemeinen einen Motor, eine Treiber-PCB, ein Untersetzungsgetriebe, einen Encoder und eine Bremse.

Bremse

Die Funktion des Bremsmoduls besteht darin, bei Stromausfall oder Störungen die Haltung beizubehalten und ein Herabfallen oder Zusammenbrechen zu verhindern, das Gefahr oder Schäden verursachen könnte (insbesondere bei vertikalen Gelenken). Einfach ausgedrückt bestimmt sie, ob der Roboterarm unter der Schwerkraft absinkt, sobald die Stromversorgung unterbrochen wird. Für industrielle Roboterarme sind Bremsen unverzichtbar—niemand möchte, dass ein massiver Arm in einer Fabrik bei einem Stromausfall nach unten stürzt. Im Zeitalter der verkörperten Intelligenz haben leichte Roboterarme jedoch eine relativ geringe Masse und enthalten daher in ihren Gelenkmotoren häufig keine Bremsen.

Untersetzungsgetriebe

Es gibt im Allgemeinen drei häufig verwendete Arten von Untersetzungsgetrieben: Harmonic-, RV- und Planetengetriebe. Für leichte Roboterarme werden am häufigsten Harmonic-Getriebe oder Planetengetriebe verwendet. Harmonic-Getriebe können in einer einzigen Stufe hohe Untersetzungsverhältnisse erreichen, sind jedoch teurer. Planetengetriebe (insbesondere Standardtypen) haben typischerweise ein deutlich größeres Spiel als Harmonic-Getriebe.

Spiel kann mit dem Wackeln eines losen Türscharniers verglichen werden oder mit dem Spiel in einer Fahrradkette, bei dem das Drücken des Pedals das Rad nicht sofort bewegt. In Präzisionsmaschinen wirkt sich selbst eine so geringe Lockerheit direkt auf die Positioniergenauigkeit aus.

Encoder

Encoder werden hauptsächlich zur präzisen Erfassung von Gelenkdrehwinkeln verwendet. Ein Schlüsselparameter ist die Encoderauflösung, beispielsweise eine 14-bit Auflösung. Das bedeutet, dass eine volle Umdrehung durch 2¹⁴ = 16,384 Impulse dargestellt wird, was einer Positionierungsauflösung von 360 / 16,384 = 0.02197 Grad entspricht.

Für Roboterarme sind Absolutwertgeber unverzichtbar: Selbst nach einem Stromausfall kennt das System weiterhin den aktuellen Gelenkwinkel. Andernfalls müsste der Arm jedes Mal beim Einschalten in eine Nullposition zurückkehren.

Die meisten Gelenkmotoren verwenden einen einzelnen Encoder auf der Motorseite, was eine präzise Regelung der Position und Drehzahl des Motorrotors ermöglicht. Diese Konfiguration kann jedoch Fehler nicht erfassen, die durch die Übertragungskette zwischen Motor und Last entstehen (wie z. B. Spiel, elastische Verformung, Torsionsschwingung, thermische Ausdehnung oder Verschleiß in Untersetzungsgetrieben, Kupplungen, Riemen oder Gewindespindeln).

Um die Erfassungsgenauigkeit zu verbessern, verwenden einige Gelenkmotoren ein Doppel-Encoder-Schema: ein Encoder auf der Motorrotorseite und ein weiterer auf der Ausgangswelle nach dem Untersetzungsgetriebe. Durch die Zusammenführung der Daten beider Encoder kann das System die absolute Positionierungsgenauigkeit und Wiederholbarkeit verbessern, selbst bei vorhandenem Spiel, Nachgiebigkeit oder Verschleiß in der Übertragungskette.

Hohlwellenmotoren

Ein Hohlwellenmotor verfügt über eine zentrale Durchgangsöffnung entlang seiner Achse, hauptsächlich um die Kabelführung zu erleichtern. Leitungen können direkt durch die Mitte des Motors geführt werden, wodurch freiliegende externe Kabel vermieden werden. Hohlwellenmotoren sind jedoch im Allgemeinen teurer.

Wie steuern Gelenkmotoren einen Roboterarm?

Als direkteste Aktuatoren in einem Roboterarm läuft letztlich jede Steuerung auf die Gelenksteuerung hinaus.

Der gebräuchlichste Ansatz ist die Motorsteuerungsstruktur mit drei Regelkreisen:

Positionsregelkreis: Eingang = Zielposition; Rückmeldung = tatsächliche Position; Ausgang = Soll-Drehzahl (basierend auf dem Positionsfehler).

Drehzahlregelkreis: Eingang = Soll-Drehzahl; Rückmeldung = tatsächliche Drehzahl; Ausgang = Soll-Strom (basierend auf dem Drehzahlfehler).

Stromregelkreis: Eingang = Soll-Strom; Rückmeldung = tatsächlicher Strom; Ausgang = angepasste Treiberspannung (basierend auf dem Stromfehler), wodurch das Drehmoment direkt geregelt wird (Strom steht ungefähr in linearer Beziehung zum Drehmoment). 

MIT-Steuerungsmodus

Der MIT-Modus ermöglicht die kombinierte Steuerung von Drehmoment, Position und Drehzahl. Sein Steuerungsblockdiagramm ist dargestellt in.

Kommunikationsprotokolle

Da Roboter typischerweise über mehrere Gelenke verfügen und eine hochfrequente Steuerung erfordern, verwenden Kommunikationsprotokolle in der Regel CAN-Bus oder EtherCAT. Die maximale Baudrate von CAN beträgt 1 Mbps. Um eine geschlossene Regelung über 1 kHz zu erreichen, ist EtherCAT—mit maximalen Raten von bis zu 100 Mbps—erforderlich.

Im Allgemeinen liegt bei einem 6-Achsen-Gelenkmotorsystem mit CAN-Bus bei 1 Mbps die maximal erreichbare Steuerfrequenz bei etwa 300–500 Hz, was für kollaborative Roboter ausreicht. Um jedoch die Kraftregelung bei 1 kHz vollständig auszuschöpfen, werden mehrere CAN-Kanäle benötigt, wobei jeder CAN-Kanal drei Motoren ansteuert (wie es häufig bei Konstruktionen von vierbeinigen Robotern zu sehen ist).

Die Auswahl von Robotergelenkmotoren ist ein umfassender Prozess, bei dem Drehmoment, Drehzahl, Präzision, Größe, Kosten und Zuverlässigkeit gegeneinander abgewogen werden. Von Bürsten- zu bürstenlosen Motoren, von Schrittmotoren zu Servomotoren und von diskreten Designs zu hochintegrierten Gelenkmodulen treibt die fortlaufende technologische Entwicklung weiterhin Verbesserungen der Roboterleistung voran.