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MaxonAnwenderbericht

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 von Maxon Motor. 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 gestaltet 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 Systemen 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.

Für die Robotik gut geeignetMaxon2

Präzise, kompakt, effizient: Dies sind die wesentlichen Anforderungen an das Antriebskonzept eines Roboters. Wieso gerade eisenlose Gleichstrommotoren diese Anforderungen am besten erfüllen, zeigen die Produkte des Herstellers. Das „Herzstück“ eines zylindrischen maxon-Gleichstrommotors ist der eisenlose Rotor, eine selbsttragende Kupferwicklung. Die Vorteile dieser Technologie sind beachtlich:

Kein Rastmoment

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 genannte Rastmoment führt dazu, dass das erzeugte Drehmoment eine starke Welligkeit aufweist. 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
• geringe Geräuschentwicklung.

Hoher Wirkungsgrad

Bei diesen 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 Leistungsverluste während dem Betrieb, die im Eisen durch das fortlaufende Ummagnetisieren und durch induzierte Wirbelströme entstehen. Die Maxon-Antriebe haben optimale Voraussetzungen für batteriebetriebene Anwendungen aufgrund des hohen maximalen Wirkungsgrads bis über 90 % und  des tiefen Leerlaufstroms, typisch <50 ma="" p="">

Kleine Induktivität

Bei den vorgestellten 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. Weniger Bürstenfeuer der DC-Motoren ermöglichen eine höhere Lebensdauer und weniger elektromagnetische Störungen.

Kompaktes Design

Dank des fehlenden Eisenkerns kann der Magnet der Motoren Platz sparend im Zentrum angeordnet werden. Die gegenüber eisenbehafteten Motoren vorteilhaftere Magnetgeometrie ermöglicht ein effizienteres Design des Magnetkreises und eine hohe Induktionsfeldstärke im Luftspalt. Das Massenträgheitsmoment des Hohlzylinders ist gegenüber dem Vollzylinder eines eisenbehafteten Rotors bedeutend kleiner und bietet damit eine hohe Leistung auf kleinem Raum, die kompakte Bauform mit geringem Gewicht sowie eine 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 Lebensdauer und der noch besseren Dynamik. Die nachfolgend aufgeführten Beispiele zeigen die praktische Anwendung der DC-Motoren im Umfeld der Robotik. In den beschriebenen Applikationen ermöglichen sie die einzelnen Funktionen – vom Gang bis zur Mimik – eines Humanoid-Roboters, u. a. für den Einsatz in Geriatriezentren. Sie treiben ein unterstützendes Hilfsskelett an und unterstützen Bewegungstherapie und Mobilisierung von Patienten mit neurologischen Einschränkungen oder helfen bei der Bewegung von schweren Lasten. Außerdem  verhelfen sie Menschen mit Armprothesen zu neuer, verloren geglaubter Bewegungsfreiheit und er-möglichen ihnen Verrichtungen beinahe so, als ob die Prothese die eigene Extremität wäre – rein durch das eigene Denkvermögen gesteuert.

Aufrechter Gang

 

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 des Schweizer Antriebsspezialisten: 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.

Maxon4Anziehbare Roboter

Die ersten motorbetriebenen Skelette stammen aus Japan und sollen in naher Zukunft auch im Westen auf den Markt kommen. Damit rücken die Abenteuer des Comic- und Kinohelden „Ironman“ ein Stück näher an die Realität. Das japanische Unternehmen Cyberdyne hat ein künstliches Skelett zum Anziehen entwickelt. Es trägt den Namen «HAL-5», wiegt 23 kg und ist mit einer Vielzahl von Sensoren, Elektromotoren, Messeinrichtungen und einem Kleincomputer bestückt. HAL steht für Hybrid Assistive Limb (Deutsch: hybri-des Hilfsglied) und soll dem Träger ermöglichen, Körperbehinderungen zu kompensieren oder schwere Lasten zu transportieren.

Der Roboteranzug wird ähnlich einer mittelalterlichen Ritterrüstung übergezogen. DC-Motoren und Sensoren, die unter weißen Plastikschienen versteckt sind, werden an Armen und Beinen fixiert und eine Art Harnisch über die Brust gezogen. Der Akku, der knapp drei Stunden hält, hängt am Gürtel. Die biokybernetische Steuerung der Maschine stützt sich auf Sensoren, die auf der Haut befestigt werden und über die anliegende Spannung die Nervenimpulse abgreifen. Der angeschlossene Rechner wertet die Signale aus und erkennt so, ob der Träger des Anzugs gehen oder stehen will. Wenn er zum Beispiel einen Schritt vorwärts machen möchte, gibt der Rechner der Hydraulik des Mechanikbeins den Befehl, den Stellwinkel der Gelenke entsprechend zu verändern. Auf diese Impulse reagieren die bürstenlosen DC-Motoren im Bruchteil einer Sekunde und damit fast genauso schnell wie das körpereigene Nerven-Muskel-System auf die Signale vom Gehirn. Derartige Entwicklungen werden wohl einen wesentlichen Nutzen für die immer älter werdende Bevölkerung von Industrienationen und für Menschen mit Mobilitätseinschränkungen haben.

Im Gegensatz zu futuristischen Ganzkörperanzügen kommen bewegungstherapeutische Roboter auch in Europa schon länger zum Einsatz. Der «Lokomat» von Hocoma, zum Beispiel, ist ein von maxon-Motoren angetriebenes Therapiesystem, welches das Führen der Beine von im Gehen eingeschränkten Patienten mit neurologischen Krankheiten und Verletzungen auf dem Laufband unterstützt. Neben der körperlichen Entlastung der Therapeuten erlaubt es längere und intensivere Trainingseinheiten und somit bessere Therapieresultate.

 

Durch Gedanken gesteuerte ArmprotheseMaxon3

 

Wieder selbstständig aus einem Glas trinken, ohne fremde Hilfe essen oder einfach nur die Tür öffnen können – für armamputierte Menschen war dies bis vor Kurzem oftmals noch eine Wunschvorstellung. Dank neusten Armprothesen gelingt es, dass auch physisch benachteiligte Menschen wieder selbstständig einfache tägliche Abläufe meistern können.

Forscher aus Wien haben eine Armprothese entwickelt, die sich durch Gedanken steuern lässt. Die intelligente Prothese kann gezielt über jene Nerven angesteuert werden, die auch ursprünglich für die Bewegung des Armes zuständig waren. Damit gibt sie ihrem Träger sieben aktive Gelenke und viel mehr Aktionsmöglichkeiten. Die Gelenke können gleichzeitig angesteuert werden. Es ist kein Umdenken mehr notwendig, wie das bei konventionellen Prothesen bisher der Fall war. Der Patient führt Bewegungen intuitiv aus, welche direkt von der Prothese umgesetzt werden. Voraussetzung dafür ist eine Operation, bei der Nerven verlagert werden. Durch diesen so genannten selektiven Nerventransfer können Signale, die ursprünglich für die Steuerung des Arms verantwortlich waren, für die Steuerung der Prothese genutzt werden. Im Prothesenschaft sind Elektroden eingearbeitet, die diese Steuersignale aufnehmen, ein elektronisches Analyseverfahren im Inneren der Prothese setzt die empfangenen Signale um und erkennt die gewünschte Bewegung.

Maxon-Antriebe sorgen in der neusten Prothesenentwicklung von Otto Bock für präzise Hand- und Fingerbewegungen. Zum Einsatz kommen diverse EC-powermax Motoren. Diese treiben zwei Endglieder eines Fingers bzw. die Fingerwurzel sowie das Daumenglied der Prothese an. Der geringe Energieverbrauch und das minimale Gewicht der bürstenlosen DC-Motoren spielen dabei eine entscheidende Rolle für die Mobilität des Prothesenträgers.


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