Antriebstechnik: Stand der Technik bei Robotermotoren

Portescap ist Spezialist für Roboter-Miniaturmotoren nebst Getriebe- und Encodertechnik für verbrauchsarme und platzsparende Applikationen. Dave Beckstoffer, Commercial Program Manager bei Portescap, erläutert die wichtigsten Eigenschaften von Miniaturmotoren für Roboter.

Roboter werden in einem immer breiteren Anwendungsspektrum eingesetzt und Mobilität sowie Kompaktheit zählen zu den Grundanforderungen im Aufbau, insbesondere bei kollaborativen Robotern (CoBots). Um beispielsweise die Fertigkeiten einer menschlichen Hand adäquat nachbilden zu können, müssen die Antriebsmotoren eine hohe Leistungsdichte in einem kleinen, leichten Format haben.

Kompaktes Format und geringes Gewicht bei einer höheren Leistungsdichte als herkömmliche DC-Bauarten; das sind die elementaren Vorteile bürstenloser DC-Motoren (BLDC). Nutenlose BLDC-Motoren erfüllen in Kombination mit effizienten Planetengetrieben diese Spezifikation und lassen sich gut in typische Roboterformate mit ihren knappen Einbauräumen integrieren.

Die wesentlichen Kriterien für Roboter in Anwendungen wie der Fertigungsautomatisierung sind Tempo und Präzision. Aufgrund ihres extrem geringen Trägheitsmoments sind eisenlose DC-Motoren und Scheibenmagnet-Schrittmotoren gut für Pick-and-Place-Anwendungen geeignet, weil sie ständige schnelle Änderungen der Beschleunigung und Verzögerung ermöglichen. In gleicher Weise profitieren Anwendungen, die eine dynamische und dennoch ruckfreie Steuerung erfordern, von der Eliminierung des Rastmoments, beispielsweise Kamerasysteme. Auch hierfür sind nutenlose BLDC-Motoren eine exzellente Wahl.

Die Mobilität vieler Roboteranwendungen hängt von der Batterieleistung ab. Insofern ist die Energieeffizienz ein weiterer wesentlicher Faktor. Eisenlose, bürstenbehaftete DC-Motoren erreichen Wirkungsgrade von bis zu 90% und werden dort eingesetzt, wo es auf lange Roboterlaufzeiten ankommt. Für Anwendungen mit hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl kommt es außerdem darauf an, dass das Getriebe effizient und auf den Motor abgestimmt ist.

Robustheit und lange Lebensdauer

Ein entscheidender Vorteil von Robotern ist, dass sie in Umgebungen und unter Bedingungen eingesetzt werden können, die der Mensch nicht ertragen kann oder möchte. Bei der Überwachung und auf Kontrollgängen für Industriepipelines etwa. Hierzu müssen Roboter mit Miniaturmotoren arbeiten, die den härtesten Umgebungsbedingungen standhalten können.

Schutz vor extremen Temperatur- und Druckbelastungen ist darüber hinaus auch für Roboteranwendungen in der Medizin erforderlich, wo chirurgische Roboter im Autoklaven sterilisiert werden. Die Robotermotoren müssen hoch belastbar sein; die Einbettung von Motorkomponenten in Epoxidharz macht sie widerstandsfähig und verlängert die Lebensdauer des Roboters.

Sicherheit und Produktivität

Was Roboter angeht, so sind Sicherheit und Produktivität zwei Seiten derselben Medaille: Eine ungenaue Steuerung kann zu Personenschäden führen, sei es im Operationssaal oder in der Fabrikhalle. Umgekehrt bedeutet jeder Maschinenstillstand infolge einer Sicherheitsverletzung potenzielle Produktmängel und Produktionsausfall. Roboter sind daher stets auf hochpräzise Feedback-Geräte angewiesen, die den eigenen Schutz und denjenigen ihrer unmittelbaren Umgebung gewährleisten.

Hochauflösende Encoder ermöglichen eine präzise und schnelle Motorsteuerung in Anwendungen, die gleichermaßen Tempo und Präzision verlangen. Bei Roboterschweißsystemen ist ein hochauflösendes Feedback mit kompakter Hardware entscheidend für eine präzise Roboterbewegung.

Autonomie und mehrachsige Steuerung

Wichtige Trends in der Roboterentwicklung sind Autonomie und maschinelles Lernen. Beispiele hierfür sind autonome Fahrzeuge und Überwachungsroboter. Lidar (light detection and ranging) ist eine Technologie, die 3D-Bilder der Umgebung erfasst und autonome Navigation ermöglicht. Scanvorgänge mit sehr hohen Refresh-Raten und hochauflösendem Feedback sorgen für schnelle und präzise Steuerung. Lidar-basierte Spiegelsysteme werden immer öfter durch nuten- und bürstenlose Miniaturmotoren angetrieben, die eine gute Wärmeableitung mit hohem Wirkungsgrad kombinieren.

Komplexe Roboteranwendungen verlangen zum Teil die synchronisierte Steuerung mehrerer Achsen, beispielsweise im Fall chirurgischer Roboter. Hierfür können Sensoren mit Schnittstellen für serielle Kommunikation die absolute Position mit einer typischen Auflösung von 14 Bit und einer Winkelgenauigkeit im Bereich von 1° (mechanisch) ermitteln. Ein wichtiges Kriterium bei mehrachsigen Anwendungen ist die Minimierung des Platzbedarfs. Die bauartbedingte Kompaktheit von Miniaturmotoren kann mit Schnittstellen für serielle Kommunikationsprotokolle kombiniert werden, die durch Daisy-Chain-Vernetzung der Encoder den Verdrahtungsaufwand reduzieren.

Kundenspezifische Anpassung der Motoren

Die kundenspezifische Anpassung von Miniaturmotoren in der Robotik ist ein eindeutiger Trend. Die maßgeschneiderte Auslegung gewährleistet, dass alle speziellen Anforderungen an Präzision, Wirkungsgrad und Platzbedarf erfüllt werden. Die Hersteller von Miniaturmotoren werden immer häufiger mit der Ermittlung der Lastpunkte eines konkreten Designs beauftragt, um anschließend hochkompakte, leichte Motoren zu entwickeln, deren Drehmoment- und Drehzahlleistung perfekt auf die Anforderungen der Anwendung abgestimmt ist.

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