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Roboter: Gleichstrommotoren ermöglichen menschliche Bewegungen

Den Menschen verstehen

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Im EU-Projekt Eccerobot arbeiten Forscher an einem neuartigen Humanoiden Roboter. Dieser soll in Zukunft nicht nur wie ein Mensch aussehen, sondern sich auch wie einer bewegen und verhalten. Seine künstlichen Muskeln werden durch präzise Gleichstromantriebe von Maxon Motor in Bewegung gesetzt.

Humanoide Roboter ziehen schon seit Jahren das öffentliche Interesse auf sich. Dabei lösen sie unterschiedliche Gefühlslagen bei uns aus. Während die einen von der fortschrittlichen Technik fasziniert sind, schreckt die seelenlose Perfektion der Maschinen die andern ab. Beispiele gibt es viele: Ob das Modell Asimo von Honda, der Einsteinroboter Albert Hubo vom Korean Institute of Technology oder das Robotermädchen HRP-4 C von Japans National Institute of Advanced Industrial Science and Technology und Kawada, alle beeindrucken, wenn sie an Ausstellungen über die Bühne laufen, rennen, Menschen ausweichen oder diesen die Hände schütteln. Grundsätzlich folgen solche Konstruktionen dem Konzept von Industrierobotern. Hände, Arme und Beine sind steife, metallische Gliedmassen, die von Elektromotoren – vielfach von der Maxon Motor AG in Sachseln – gedreht und gebeugt werden.

Zweibeinige Roboter funktionieren heute jedoch erstaunlich gut – obwohl die Simulation des humanen Gangs eine Herausforderung ist. Der menschliche Körper stellt seinen Gleichgewichtspunkt parallel zu den Änderungen seines Auflagepunkts und in Abhängigkeit weiterer Faktoren ständig neu ein. Je fließender die Bewegungen eines Roboters also sein sollen, desto genauer müssen die Positionen der einzelnen Gliedmaßen berechnet und ausgeführt werden. Das bringt Unmengen von Daten mit sich, und kleinste Fehler können Stürze verursachen.
Das EU-Forschungsprojekt Eccerobot verfolgt einen völlig neuen Ansatz. Es baut menschenähnliche Roboter mit Knochen, Muskeln und Sehnen. „Wir wollen einen Roboter, der nicht nur die Form eines Menschen nachahmt, sondern auch die innere Struktur und die Mechanismen des menschlichen Bewegungsapparates kopiert“, so Owen Holland, Leiter des Projekts. Eccerobot soll individuell auf verschiedene Situationen reagieren und mit der Umgebung in Austausch treten können. Denn ein Roboter-Butler im Haushalt oder ein Pfleger im Spital sollte genau diese Eigenschaften haben, um im täglichen Leben bestehen zu können.
Eccerobot zeichnet sich durch ein Skelett aus, an dem Muskeleinrichtungen sitzen. Die Knochen bestehen aus dem Kunststoff Polycaprolacton (PCL), auch Polymorph genannt. Er wird bei einer Temperatur von 60 °C weich und lässt sich dann beliebig modellieren. Abgekühlt wird Polymorph wieder fest und kann Zugkräften gut widerstehen. Dabei behält er aber dennoch eine gewisse Elastizität bei.
Im ganzen Roboter sind 80 Aktuatoren untergebracht, einen für jeden Muskel. Diese bestehen aus einem Maxon-Motor mit Getriebe und Encoder, einer Spindel, einer Drachenschnur und einem Gummiband. Das hört sich sehr improvisiert an, beim Betrachten wird es einem aber doch etwas unheimlich. Zumal der Roboter im Aufbau sehr an einen Menschen erinnert. Aber wie funktionieren die Körperbewegungen?
Nehmen wir den Arm von Eccerobot als Beispiel. Er ist aus zwei Polymorph-Knochen gebaut, an denen die künstlichen Muskeln befestigt sind. Die Drachenschnur verbindet die Spindel auf dem Getriebe mit dem Gummiband, das auf der anderen Seite am Knochen fixiert ist. Um den Muskel anzuspannen, dreht der Gleichstrommotor über das Getriebe die Spindel, auf der sich die Drachenschnur aufrollt. Dadurch zieht sie über das elastische Gummiband langsam den Unterarm heran – und der Arm bewegt sich.
Beim Projekt Eccerobot geht es vor allem um Grundlagenforschung. Dank Robotern will man verstehen, wie menschliche Intelligenz funktioniert. So spielt sich Intelligenz nach Erkenntnissen von Forschern nicht nur im Gehirn ab, sondern soll etwas sein, das im ganzen Körper verteilt ist. „Wenn wir einen Arm hochheben, verändert auch unser restlicher Körper vollständig seine Haltung“, sagt Rolf Pfeifer, Direktor des Artificial Intelligence Laboratory an der Universität Zürich, das neben andern Universitäten ebenfalls am Eccerobot arbeitet. „Die Bewegungen der Körperteile des Roboters stehen deshalb miteinander in Beziehung. Verbindet man die entsprechenden sensomotorischen Daten mit denen des optischen Systems, also der Kamera, gibt es zwischen ihnen Korrelationen, die erkannt werden können. Auf diese Weise kann der Roboter allmählich seine Dynamik selbst lernen und ein Wissen über seinen Körper aufbauen“, erläutert Pfeifer weiter.
Eccerobot wird vorerst ein Oberkörper bleiben. Momentan befindet sich die Steuerelektronik noch in einem externen Gehäuse, soll jedoch später im ganzen Skelett verteilt werden. Langfristig möchten die Wissenschaftler einen humanoiden Roboter bauen, der wie ein Mensch auf zwei Beinen gehen und mit der Umwelt agieren kann. Die Beinpaare sind bereits konstruiert.
Maxon unterstützt zukunftsweisende Projekte in unterschiedlichen Bereichen. Mit dem Artificial Intelligence Laboratory (AI Lab) an der Universität Zürich ist man eine Partnerschaft eingegangen, die bezweckt, dass sich Ideen wie Eccerobot optimal entwickeln können. Das AI Lab ist in zahlreichen Projekten auf internationaler Ebene involviert, wobei neueste Erkenntnisse aus der Wissenschaft direkt auch in die Entwicklungen von Maxon Motor einfließen können. „Nicht nur die Qualität der Produkte, der Kundenservice oder die Kompetenz der Mitarbeitenden haben uns von Maxon Motor überzeugt. Es ist die Bereitschaft, auch unkonventionelle Lösungen zu realisieren, die Maxon und das AI Lab zu erfolgreichen Partnern macht“, sagt Pascal Kaufmann, Forscher und Verantwortlicher für Kooperationen am AI Lab. In Zukunft sollen alle Aktuatoren des Eccerobot und sämtliche humanoide Roboter am AI Lab mit Präzisionsantrieben, Getrieben und Sensoren von Maxon ausgestattet sein.
Albert Bucheli Maxon Motor, Sachseln/Schweiz
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