Adaptives Getriebe für Roboter nach menschlichem Vorbild

Immer öfter sollen Roboter entstehen, die dem Menschen in Beweglichkeit und Kraft ähnlich sind. Doch Konstrukteurinnen und Konstrukteure stehen vor großen Herausforderungen. Natürliche Muskeln sind bei geringen Geschwindigkeiten kraftvoll und können bei schnellen Bewegungen nur wenig Kraft aufbringen. Um solche spezifischen Bewegungsabläufe korrekt nachzuempfinden, werden Getriebe mit variabler Übersetzung benötigt.

Stand der Technik

Gängige Getriebe in der Robotik begrenzen Geschwindigkeit und Maximalkraft, andere konventionelle Getriebe sind komplex und daher zu groß für Anwendungen in der Robotik. Zwar lassen sich mit hydraulischen Systemen bereits menschenähnliche Verhältnisse erreichen, doch oft gibt es Probleme mit der Regelung und das Risiko für Hydrauliköl-Leckagen ist groß.

Technologie

Forschenden des Instituts für Hochperformante Humanoide Technologien (H²T) des KIT ist es gelungen, ein kompaktes und günstiges Schaltgetriebe für Linearantriebe mit zwei Übersetzungsstufen zu konstruieren. Der Antrieb besteht aus zwei Motoren, die die Charakteristika eines Spindeltriebs und eines Zykloidgetriebes kombinieren. Beim Spindeltrieb übersetzt eine Mutter, die über eine Spindel gleitet, die Motordrehbewegung in eine lineare Bewegung. Die Übersetzung wird nur durch die Spindelsteigung bestimmt. Beim Einsatz des zweiten Motors rollt die exzentrisch gelagerte Mutter über die Spindel, so dass sich die Übersetzung der Spindel mit der Übersetzung des Zykloidgetriebes multipliziert. Sind beide Motoren eingeschaltet, wechselt der Betriebsmodus automatisch (adaptiv) in Abhängigkeit zur externen Kraft, die auf die Spindel wirkt: Bei hoher Kraft arbeitet die Getriebestufe mit hoher Übersetzung, bei niedriger Kraft die mit niedriger Übersetzung. Dadurch entsteht ein Kraft-Geschwindigkeitsverhältnis, das dem des Menschen ähnelt.

Vorteile

Das neuartige Lineargetriebe ist einfach aufgebaut, benötigt wenige Spezialteile und kann auf kleinstem Raum verbaut werden. Vorteil der neuen Bauform ist zudem, dass es sich um leicht zu steuernde und saubere Elektromotoren handelt. Diese Kombination macht die adaptiven Getriebe besonders für den „Low-cost“-Bereich interessant.

Optionen für Unternehmen

Mithilfe der neuen Technologie lassen sich leichtere und kleinere Roboter konstruieren. Werden diese als Cobots, also im unmittelbaren Umfeld des Menschen eingesetzt, erhöht die kompakte Bauweise die Sicherheit bei Kollisionen. Das KIT sucht Partner aus der Getriebe- und Motorenherstellung, um die Erfindung zur Serienreife zu bringen.