Wie wählt man Harmonic-Gelenkantriebe für einen 7-DOF-Roboterarm aus?

Hallo, ich bin Theodore Li, Technischer Direktor bei HONPINE. In diesem Artikel erläutere ich, wie Sie Harmonic-Gelenkantriebe für einen Roboterarm mit sieben Freiheitsgraden auswählen.

Ein Roboterarm mit sieben Freiheitsgraden bzw. 7-DOF verfügt über einen zusätzlichen Freiheitsgrad gegenüber den sechs Freiheitsgraden, die im Allgemeinen erforderlich sind, um Position und Orientierung eines Endeffektors im dreidimensionalen Raum zu steuern. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad wird als kinematische Redundanz bezeichnet.

Mit einem geeigneten mechanischen Design und geeigneten Regelalgorithmen bietet diese Redundanz eine höhere Bewegungsflexibilität, unterstützt die Hindernis- und Singularitätsvermeidung und ermöglicht nachgiebige Bewegungen, die denen eines menschlichen Arms ähneln.

Diese Eigenschaften machen 7-DOF-Roboterarme wertvoll für Forschung und Entwicklung in der Medizinrobotik, Präzisionsmontage, flexiblen Bearbeitung und für Einsätze in anspruchsvollen Umgebungen.

Wie sollten Sie also die Gelenkmodule für einen 7-DOF-Roboterarm auswählen?

So wählen Sie Harmonic-Gelenkantriebe für einen 7-DOF-Roboterarm aus

Jeden Antrieb auf die Lastanforderungen des Gelenks abstimmen

Innerhalb derselben Antriebsserie bietet eine größere Baugröße im Allgemeinen ein höheres Ausgangsdrehmoment und kann höhere Gelenklasten tragen. Der Antrieb sollte jedoch nach den Anforderungen des jeweiligen Gelenks und nicht allein nach seiner Modellnummer ausgewählt werden.

In vielen Roboterarmkonfigurationen müssen Gelenke, die weiter vom Endeffektor entfernt sind, die Nutzlast zusammen mit einem größeren Anteil der nachgelagerten Armkomponenten tragen. Daher benötigen diese Gelenke häufig ein höheres Ausgangsdrehmoment.

Das Schultergelenk ist ein typisches Beispiel. Da es einen großen Teil des Arms trägt und in beträchtlicher Entfernung von der Endeffektorlast arbeitet, wird für diese Position häufig ein größerer Harmonic-Gelenkantrieb gewählt.

Bei Handgelenken müssen dagegen Handgelenkbeugung und -drehung, Werkzeuglasten und die Gesamtmasse der distalen Baugruppe sorgfältig berücksichtigt werden. Kleinere, leichtere Gelenkmodule sind häufig geeignet, wenn sie die erforderlichen Drehmoment- und Bewegungsspezifikationen erfüllen können.

Das Auswahlprinzip besteht darin, die Lastanforderungen jedes Gelenks zu berechnen und den Antrieb entsprechend auszuwählen – nicht einfach im gesamten Arm dasselbe Modul zu verwenden.

Beispiel: Harmonic-Roboterantriebe der HONPINE TCHL-Serie

Zur Veranschaulichung dieses Ansatzes betrachten wir eine 7-DOF-Roboterarmkonfiguration mit Harmonic-Roboterantrieben der HONPINE TCHL-Serie.

In diesem Beispiel wird an der Schulter ein TCHL 20-Gelenkmodul eingesetzt, während am Handgelenk ein TCHL 14-Gelenkmodul verwendet wird.

Das TCHL 14 zeichnet sich durch eine kompakte, leichte Konstruktion mit Hohlstruktur und einer Durchführung für die Kabelführung aus. Diese Eigenschaften machen es zu einer Option für platzbeschränkte Handgelenk- und Roboterhalsbaugruppen, bei denen die Verringerung der distalen Masse ein wichtiges Konstruktionsziel ist.

Diese Konfiguration veranschaulicht den Auswahlansatz; sie ist keine allgemeingültige Empfehlung für jeden 7-DOF-Roboterarm.

Warum benötigen chirurgische 7-DOF-Roboterarme fortschrittlichere Harmonic-Gelenkmodule?

Eine redundante Konstruktion mit sieben Freiheitsgraden verleiht einem chirurgischen Roboterarm in Kombination mit geeigneten Techniken zur Bewegungsplanung und Hindernisvermeidung mehr Bewegungsfreiheit in einem begrenzten Arbeitsraum.

Diese Flexibilität unterstützt das System dabei, die Positionierungs- und Zugangsanforderungen komplexer chirurgischer Eingriffe zu erfüllen.

Die hier beschriebenen Fähigkeiten des Roboterarms umfassen außerdem handgeführte Bewegung, motorbetriebenen Betrieb, API-basierte Fernsteuerung sowie automatische Nutzlasterkennung und -kompensation.

Die Unterstützung dieser Funktionen stellt hohe Anforderungen an Gelenkerfassung, Regelverhalten und Systemintegration.

Drehmomenterfassung und reaktionsschnelle Kraftregelung

Für die hier beschriebene kraftgeregelte Konfiguration eines chirurgischen Arms sind integrierte hochpräzise Drehmomentsensoren ein wichtiger Bestandteil der Konstruktion des Gelenkmoduls.

Diese Sensoren liefern Rückmeldungen für kraftsensitive Regelung und Kollisionserkennung. Die für diese Anwendung beschriebenen Leistungswerte umfassen eine Kraftregelgenauigkeit von 0.5 N und eine Regelaktualisierungsrate von über 1.000 Hz.

Die vorgesehene Fähigkeit ist eine Reaktion auf Kontaktkräfte im Millisekundenbereich, wodurch sensible Aufgaben wie Einführen und kontrolliertes Schrauben unterstützt werden.

Diese Werte müssen einer definierten Konfiguration und Prüfmethode zugeordnet werden. Sie sollten nicht als Spezifikationen betrachtet werden, die für jedes Gelenkmodul oder jeden vollständigen Roboterarm gelten.

Drehmomentregelung mit hoher Bandbreite und nachgiebige Bewegung

Kraftregelung mit hoher Bandbreite kann wie folgt zusammengefasst werden:

Geschlossene Drehmomentregelung mit hoher Bandbreite + nachgiebige Regelalgorithmen

Ziel ist es, die Drehmoment- oder Kraftreaktion des Systems für die vorgesehene Aufgabe ausreichend schnell und präzise zu gestalten.

Ein integrierter hochauflösender Drehmomentsensor liefert die für diesen Regelansatz benötigte Rückmeldung. Das Gesamtverhalten hängt außerdem davon ab, wie Erfassung, Aktuierung und Regelalgorithmen integriert sind.

Redundanzbasierte Bewegungsplanung und Hindernisvermeidung

Redundanzbasierte Hindernisvermeidung kann anhand von drei Schlüsselelementen beschrieben werden:

Kinematische Redundanz + Nullraumprojektion + hierarchische Optimierung der Aufgabenprioritäten

Der zusätzliche Freiheitsgrad gibt dem Arm mehr Möglichkeiten, seine Konfiguration anzupassen und gleichzeitig die erforderliche Aufgabe des Endeffektors beizubehalten.

Die Bewegungsplanung kann mehrere Ziele mit unterschiedlichen Prioritäten koordinieren, zum Beispiel:

1. Einhaltung der Gelenkgrenzen zur Unterstützung eines sicheren Betriebs.

2. Minimierung unnötiger Gelenkbewegungen und Gelenkgeschwindigkeiten, wobei Energieeffizienz ein Optimierungsziel ist.

3. Aufrechterhaltung einer geeigneten Armkonfiguration und Steuerung der Nähe zu Singularitäten.

Wenn ausreichend redundante Bewegung verfügbar ist, hat die Steuerung mehr Freiheit, sekundäre Aufgaben wie die Hindernisvermeidung zu berücksichtigen. Ob alle Ziele erfüllt werden können, hängt weiterhin vom verfügbaren Arbeitsraum, den Gelenkgrenzen und den Aufgabenbeschränkungen ab.

Harmonic-Gelenkmodule der HONPINE HAG-Serie

Für anspruchsvolle Anwendungen der Bewegungssteuerung bietet HONPINE Harmonic-Gelenkmodule der HAG-Serie an.

Die HAG-Serie ist für Anwendungen vorgesehen, die eine präzise Bewegungssteuerung und fortschrittliche Kraftsensorik erfordern. Safe Torque Off (STO) ist je nach ausgewähltem Modell und Konfiguration als optionale Funktion verfügbar.

Diese Option kann als Teil der Sicherheitsauslegung des vollständigen Robotersystems berücksichtigt werden. Sie sollte nicht eigenständig als Bestätigung dafür verstanden werden, dass ein Gelenkmodul oder Roboterarm für eine bestimmte medizinische Anwendung zugelassen ist.

Bei der Bewertung eines HAG Harmonic-Gelenkmoduls sollten Sie die erforderliche Sensorleistung, die Steuerungsschnittstellen und die verfügbaren Sicherheitsfunktionen für die jeweilige Konfiguration bestätigen.

Erfahren Sie mehr über Harmonic-Antriebe für 7-DOF-Roboterarme

Die Auswahl eines Harmonic-Gelenkantriebs beginnt mit dem Verständnis dessen, was jedes Gelenk leisten muss. Schulter-, Ellenbogen- und Handgelenke können unterschiedliche Anforderungen an Drehmoment, Gewicht, Einbauraum, Sensorik und Steuerung haben.

Kontaktieren Sie HONPINE für weitere Informationen zu harmonischen Drehantrieben und Gelenkmodulen für 7-DOF-Roboterarme.