Roboterschlange kriecht in jeden Winkel

Anja Schütz ist Redakteurin bei der maxon motor AG in Sachseln/CH www.maxonmotor.com

Wie in einem Science-Fiction-Film schlängelt sich die Roboterschlange durch ein schmales Loch. Ihre Aufgabe: Eine Sicherheits-Inspek-tion an einem unzugänglichen Ort ausführen und Videoaufnahmen machen. Sehr schmale und gefährliche Bereiche sind in einer Vielzahl von Branchen allgegenwärtig. Enge Räume sind für den Menschen nicht nur schwer zugänglich, sondern diese Räume und die darin befindlichen Geräte erfordern auch sehr häufig Inspektionen. Das in Bristol (Gross- britannien) ansässige Unternehmen OC Robotics hat sich das Vorbild aus der Tierwelt zum Beispiel genommen und den Snake-Arm-Robot entwickelt. Geschäftsführer Rob Buckingham und der technische Direktor Andrew Graham entwickelten den ersten Prototypen im Jahr 2001. Bis heute haben sie die Technik des Schlangenroboters immer weiter perfektioniert. Das im Jahr 1997 gegründete Unternehmen fertigt schlangenartige Roboter, die speziell für beengte Platzverhältnisse und gefährlichen Umgebungen geeignet sind. Die Schlangenroboter haben ein sehr schlankes und flexibles Design und passen mühelos durch kleine Öffnungen und weichen Hindernissen geschickt aus.

Die Roboter kommen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtmontage, Atomenergiebranche und in Medizin- und Sicherheitsanwendungen zum Einsatz. Je nach Anforderung des Kunden sind verschiedene Längen und Durchmesser des Schlangenarmroboters verfügbar. Standardgrössen variieren von 40 bis 150 mm im Durchmesser und haben eine Länge von 1 bis 3,25 m Länge – je nach Kundenwunsch können sogar Längen bis zu 10 m oder Durchmesser bis 12,5 mm realisiert werden. Der Durchmesser des Schlangenarms ist entscheidend für deren Funktionalität. Umso größer der Durchmesser ist, umso mehr Gewicht kann der Roboter beispielsweise bei Wartungsarbeiten heben.

Jede Roboterschlange wird deshalb je nach Anwendungsbereich kundenspezifisch angefertigt. Der Kopf des Schlangenroboters kann zudem mit unterschiedlichen Tools ausgerüstet werden. OC Robotics bietet Tools für die visuelle Inspektion mit entsprechender Ausleuchtung, ob es nun eine Kamera, ein spezieller Greifarm oder ein Laser für das Schneiden von Metall und Beton ist. Je nach Anwendung kann der Schlangenroboter auf einer mobilen oder festen Station, wie einem Industrieroboter oder Kran angebracht werden.

Der Schlangenarmroboter ist in der Lage eine ganze Reihe von Kontroll- und Wartungsarbeiten durchzuführen. Dabei benötigt der Roboter keine direkte Unterstützung aus der Umgebung. Er lässt sich frei durch den offenen Raum navigieren. Gesteuert wird der Roboter mittels einer proprietären Software, durch die es dem Bediener ermöglicht wird, den Schlangenarm nach dem Nose- Following-Prinzip zu kontrollieren. Das heisst, dass über ein Touchpad ein Kommando an die Schlangenspitze übermittelt wird und die weiteren Glieder folgen diesem vorgegebenen Pfad. Wenn der Bediener also ein Hindernis vermeidet, wird auch der Rest des Schlangenarms dieses umgehen. Mithilfe dieser Technologie wird es für den Menschen viel einfacher, in gefährlichen Umgebungen zu arbeiten, jedoch wird nicht vollständig auf den Menschen verzichtet, erläutert Rob Buckingham, Geschäftsführer von OC Robotics.

Genau wie beim menschlichen Arm, bei denen die Sehnen die Muskeln mit den Gelenken verbinden, sind beim Schlangenroboter Stahlseile wie Sehnen mit den einzelnen Gelenken des Roboters verbunden. Jeder einzelne Draht im Inneren des Schlangenarms ist mit einem maxon-Motor verbunden. Die schlangenartig gewundenen Bewegungen entstehen dadurch, dass die Motoren die mechanische Leistung in den Schlangenarm übertragen, wo sich die einzelnen Bindeglieder des Arms befinden. In jedem Schlangenarm werden, je nach Version, bis zu 50 maxon-Motoren verbaut. Diese befinden sich nicht direkt im Arm, sondern in einem Aktuator-Pack in der Basis des Roboters. Dies ist vorteilhafter, weil die Motoren und die Elektronik besser zugänglich sind und gefährlichen und engen Umgebungen nicht ausgesetzt werden. Ein weiterer Einsatzort der Motoren sind die unterschiedlichen Tools für den Schlangenarmkopf. Ein bis zwei Motoren sind hier für die Bewegung von beispielsweise Kamera oder Greifarm zuständig.

Die größte Herausforderung an die Antriebe ist, dass sie eine ausreichend hohe Leistung in einem kompakten Design liefern müssen. Für die hochkomplexe Anwendung wurde deshalb der bürstenlose DC-Motor EC-max 30 (60 W) und das Planetengetriebe GP32 in der Keramikversion verwendet.

Mit dem bürstenlosen Design sind die elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren (EC) bestens für lange Betriebszeiten vorbereitet. Herzstück der maxon-Motoren ist die eisenlose Wicklung – mit der physikalisch bedingte Vorteile wie kein Rastmoment, hoher Wirkungsgrad und eine ausgezeichnete Regeldynamik erreicht werden. Für den Schlangenarm waren spezielle Modifikationen für die verwendeten Motoren erforderlich. So wurden ein spezifisches Kabel und Befestigungslöcher benötigt. Zudem wurde das von maxon motor eingesetzte Planetengetriebe für die Anwendung modifiziert und ein spezielles Gehäuse für die Bremse entwickelt. Für OC Robotics waren die Kriterien zuverlässige Motoren, gute Kundenbetreuung, hohe Qualität und hohe Leistungsdichte ausschlaggebend für Wahl des Herstellers.

Das in Bristol (Grossbritannien) ansässige Unternehmen OC Robotics hat sich ein Vorbild aus der Tierwelt zum Beispiel genommen und den Snake-Arm-Robot entwickelt, der in vielen Applikationen der Qualitätssicherung und Sicherheitstechnik zum Einsatz kommt. Wie der Roboter funktioniert, zeigt ein Video:

Maxon motor hat ein Programm von Gleichstromantrieben mit eisenlosem Rotor vorgestellt, zu dem auch passende Getriebe und Sensoren geben wird. Neue Magnete, neue Konstruktion und neue Prozesse haben dazu geführt, dass die bürstenbehafteten Antriebe technisch komplett überarbeitet einen Leistungszuwachs von rund 20 % gegenüber älteren Antrieben bieten.