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spielen eine Schlüsselrolle bei der unge-bremst voranschreitenden Miniaturisie-rung in der Antriebstechnik und der resul-tierenden Forderung nach immer mehr Leistung auf immer kleinerem Raum. Ge-rade eisenlose Gleichstrommotoren erfül-len die Anforderungen der Robotik prä-zis, kompakt und effizient. In konventionellen Gleichstrommotoren mit Eisenkern werden die weichmagneti-schen Zähne des Rotors durch die in der Nähe befindlichen Permanentmagnete polarisiert und angezogen. Eine Bewe-gung zum folgenden Magnetpol erfordert eine Ummagnetisierung. Der Rotor ver-sucht an diesen Vorzugspositionen zu ver-harren und ohne Bestromung hält der

Motor nur an ganz bestimmten Stellen an. Dieses sogenannte Rastmoment führt da-zu, dass das erzeugte Drehmoment eine starke Welligkeit aufweist. Maxon-Motoren sind rastmomentfrei, denn das Herzstück des zylindrischen Gleichstrommotors ist der eisenlose Ro-tor, eine selbsttragende Kupferwicklung. Daraus leiten sich verschiedene Vorteile ab: ➜ kein magnetisches Rastmoment und

daher ruckfreier Lauf auch bei kleinen Drehzahlen

➜ einfache Regelung jeder beliebigen Rotorposition

➜ wenig Vibrationen ➜ geringe Geräuschentwicklung

DC-Motoren erwecken Roboter zum Leben

Ohne Bewegung läuft nichts

G rundsätzlich sorgt ein DC-Mo-tor durch Links- und Rechtsdre-hen für Bewegung. Im realen

Einsatz gestaltet sich das aber nicht im-mer so einfach, wie es sich aufs Erste an-hört. Für einen modernen Roboter ist es besonders wichtig, dass seine Bewegungs-abläufe präzise und dynamisch sind und möglichst wenig Energie aufwenden. Gleichzeitig sollen die einzelnen Kom-ponenten möglichst klein und leicht sein. Das bringt Agilität und spart Kraft. Maxon Motor hat sich seit mehr als 40 Jahren auf die Entwicklung von Gleich-stromantrieben und Systemen bis 500 W Leistung spezialisiert. Denn permanent-magnetisch erregte Gleichstrommotoren

Schon ein einfaches Winken setzt die Bewegung verschiedener Gelenke voraus. Beim Menschen erledigen das Muskeln, die durch die Folge von Zusammenziehen und Erschlaffen Körperteile bewegen. Ein Roboter muss auf andere Techniken zurück-

greifen. Um vorwärts zu kommen, verwendet er beispielsweise eisenlose und rastmomentfreie Gleichstrommotoren.

[1] Der Androide Albert Hubo kann laufen, spre-chen, Personen erkennen und auch seine Ge-sichtszüge verändern. [2] Das Therapiesystem unterstützt das Führen der Beine auf dem Laufband von im Gehen einge-schränkten Patienten mit neurologischen Krank-heiten und Verletzungen.

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[1] [2]

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DC-Motoren lassen Roboter lau-fen, greifen und die menschliche Mimik nachahmen.

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über dem Vollzylinder eines eisenbehafte-ten Rotors kleiner und ergibt hohe Leis-tung auf kleinem Raum, kompakte Bau-form mit geringem Gewicht sowie hohe Dynamik und schnelle Beschleunigung mit Hochlaufzeiten von nur einigen Milli-sekunden. Die DC-Motoren gibt es mit und ohne Bürsten. Der Vorzug von bürstenlosen DC-Motoren – aufgrund ihrer elektro-nischen Kommutierung auch EC-Moto-ren genannt – liegt vor allem in der länge-ren Lebensdauer und der besseren Dyna-mik.

Laufen lernen ist schwierig Zweibeinige Roboter – auch Androiden genannt – ließen lange auf sich warten, weil sich die Imitation des menschlichen Gangs sehr schwierig gestaltet. Der menschliche Körper stellt seinen Gleich-gewichts-punkt parallel zu den Änderun-gen seines Auflagepunkts und in Abhän-gigkeit vieler Faktoren ständig neu ein – eine enorme Herausforderung für For-scher und Tüftler. Denn Roboter, die auf zwei Beinen stehen, sind grundsätzlich instabil. Das rührt da-her, dass das Zentrum der Körperschwer-kraft auf Taillenhöhe liegt und die Kon-taktflächen mit dem Boden durch die Fü-ße relativ klein sind. Schon bei geringen

äußeren Störeinflüssen wie Boden-unebenheiten oder Hindernissen kann ein Roboter umfallen. Dass diese Herausfor-derungen aber zu meistern sind, zeigt der Androide Albert Hubo. Er kann laufen, sprechen, Personen erkennen und seine Gesichtszüge verändern. Ein spezielles Material mit dem Namen Frubber, das aus den Hollywood Filmstudios stammt, macht es möglich, die Mimik des Men-schen nachzuahmen. Albert Hubo hat 66 Freiheitsgrade (aktive Gelenke) ist 137 cm groß, 57 kg schwer, komplett bat-teriebetrieben und soll als Unterhaltungs-medium und in der Altenpflege zum Ein-satz kommen. Für die Gesichts- und Körperbewegungen kommen Elektromotoren zum Einsatz; allein im Gesicht sind es 28, um Ausdrü-cke wie Freude, Traurigkeit, Wut oder Überraschung zu erzeugen. Die sanften Körperbewegungen verdankt Albert Hu-bo auch den bürstenlosen und bürstenbe-hafteten DC-Motoren des Antriebsspe-zialisten. Für die Arme sind 14 Antriebe im Einsatz, die Hände benötigen zehn Motoren, die Taille einen und nochmals zehn Motorendie treiben die Beine an. Die Präzisionsmotoren haben Durchmesser von 10 bis 40 mm. Kleinere stecken bei-spielsweise in den Fingern, größere in Bei-nen und Rumpf.

Exoskelett gibt Superkräfte Die ersten motorbetriebenen Exoskelette stammen aus Japan und sollen in naher Zukunft auch im Westen auf den Markt kommen. Damit rücken die Abenteuer des Comic- und Kinohelden Iron Man ein Stück näher an die Realität. Das japanische Unternehmen Cyberdyne hat ein künstliches Exoskelett zum Anzie-hen entwickelt, quasi einen Roboter-An-zug. Es trägt den Namen HAL-5, wiegt 23 kg und ist mit Sensoren, Maxon-Elek-tromotoren, Messeinrichtungen und ei-nem Kleincomputer bestückt. HAL steht für Hybrid Assistive Limb (deutsch: hy-brides Hilfsglied) und soll dem Träger er-möglichen, Körperbehinderungen zu kompensieren oder schwere Lasten zu transportieren.

[2]

Weil bei den DC-Motoren des Antriebs-spezialisten die Magnetisierung des Sta-tors fest eingeprägt und der Rotor ohne Eisen ausgeführt ist, treten auch keine Ei-senverluste auf. Als Eisenverluste bezeich-net man Leistungsverluste, die während des Betriebs durch das fortlaufende Um-magnetisieren und durch induzierte Wir-belströme im Eisen entstehen. Die Antrie-be eignen sich für batteriebetriebene An-wendungen aufgrund des hohen maxima-len Wirkungsgrads bis 90 % und des ge-ringen Leerlaufstroms von weniger als 50 mA. Außerdem entfällt die hohe zu-sätzliche Induktivität des Eisenkerns. Für die Kommutierung muss weniger mag-netische Energie geschaltet werden und die auftretenden Funken beim Öffnen des Kontaktes zwischen Bürste und Kollek-torlamelle sind weniger ausgeprägt. Die DC-Motoren erzeugen weniger Bürsten-feuer und haben deshalb eine höhere Le-bensdauer und weniger elektromagneti-sche Störungen. Aufgrund des fehlenden Eisenkerns ist der Magnet platzsparend im Zentrum ange-siedelt. Die gegenüber eisenbehafteten Motoren vorteilhafte Magnetgeometrie ermöglicht ein effizienteres Design des Magnetkreises und eine hohe Induktions-feldstärke im Luftspalt. Das Massenträg-heitsmoment des Hohlzylinders ist gegen-

[3] Diese Armprothese lässt sich durch Gedanken steuern. Technik im Detail

Anlehnungen an die Science Fiction Aktuelle Technologien und das Science-Fiction-Genre haben sich schon immer gegenseitig in-spiriert. Nicht umsonst finden an Fachhochschu-len und Universitäten Star-Trek-Vorlesungen statt, die die Technik aus der Serie erklären, oder machen sich Wissenschaftler darüber Gedan-ken, wie man Soldaten die Kraft von Superhelden verleiht. Manchmal können Inspiration und An-spielungen auch etwas ironische Züge anneh-men. Wie etwa im Fall der japanischen Unterneh-mens Cyberdyne. Der Name Cyberdyne stammt aus den Terminator-Kinofilmen. Im Film ent-wickelt die Firma Cyberdyne das Computersys-tem Skynet, das die Menschheit in einem nu-klearen Holocaust vernichtet und die letzten Überlebenden mit den Terminatoren jagt. Der Name des Roboter-Anzugs HAL erinnert außer-dem stark an den Film '2001: Odyssee im Welt-raum'. Im Film wird der Schiffscomputer HAL 9000 verrückt und versucht, seine Besatzung zu ermorden.

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der Prothese nutzten. Im Prothesenschaft sind Elektroden eingearbeitet, die diese Steuersignale aufnehmen. Ein elektro-nisches Analyseverfahren im Inneren der Prothese setzt die empfangenen Signale um und erkennt die gewünschte Bewe-gung. Maxon-Antriebe sorgen in der neusten Prothesenentwicklung von Otto Bock für präzise Hand- und Fingerbewegungen. Zum Einsatz kommen EC-4pole-Moto-ren. Diese treiben zwei Endglieder eines Fingers beziehungsweise die Fingerwurzel sowie das Daumenglied der Prothese an. Der geringe Energieverbrauch und das ge-ringe Gewicht der bürstenlosen DC-Mo-toren spielen dabei eine entscheidende Rolle für die Mobilität des Prothesenträ-gers.

Autor Martin Rüegg ist Technischer Redakteur bei der Maxon Motor AG in Sachseln (Schweiz). infoDIRECT 751iee1210 www.iee-online.de Link zu den DC-Motoren Link zum Roboter Link zum Roboter-Anzug Link zum Therapiesystem Link zur gedankengesteuerten Armprothese

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Der Roboteranzug wird ähnlich einer mittelalterlichen Ritterrüstung überge-zogen. DC-Motoren und Sensoren, die unter weißen Plastikschienen versteckt sind, werden an Armen und Beinen fixiert und eine Art Harnisch über die Brust ge-zogen. Der Akku, der knapp drei Stunden hält, hängt am Gürtel. Die biokyberneti-sche Steuerung der Maschine stützt sich auf Sensoren, die auf der Haut befestigt werden und über die anliegende Span-nung die Nervenimpulse abgreifen. Der angeschlossene Rechner wertet die Signa-le aus und erkennt so, ob der Träger des Anzugs gehen oder stehen will. Wenn er zum Beispiel einen Schritt vorwärts ma-chen möchte, gibt der Rechner der Hy-draulik des Mechanikbeins den Befehl, den Stellwinkel der Gelenke entsprechend zu verändern. Auf diese Impulse reagieren die bürstenlosen DC-Motoren im Bruch-teil einer Sekunde und damit fast genauso schnell wie das körpereigene Nerven-Muskel-System auf die Signale vom Ge-hirn. Derartige Entwicklungen können einen wesentlichen Nutzen für die immer älter werdende Bevölkerung von Industriena-tionen und für Menschen mit Mobilitäts-einschränkungen haben. Im Gegensatz zu futuristischen Ganzkörperanzügen kom-men bewegungstherapeutische Roboter unter anderem in Europa schon länger

zum Einsatz. Der Lokomat von Hocoma ist zum Beispiel ein von Maxon-Motoren angetriebenes Therapiesystem. Es unter-stützt das Führen der Beine auf dem Lauf-band von im Gehen eingeschränkten Pa-tienten mit neurologischen Krankheiten und Verletzungen. Neben der körper-lichen Entlastung der Therapeuten er-laubt es längere und intensivere Trai-ningseinheiten und somit bessere Thera-pieresultate.

Durch Gedanken steuern Forscher aus Wien haben eine Armpro-these entwickelt, die sich durch Gedanken steuern lässt. Die intelligente Prothese lässt sich gezielt über die Nerven ansteu-ern, die auch ursprünglich für die Bewe-gung des Armes zuständig waren. Damit gibt sie ihrem Träger sieben aktive Gelen-ke und mehr Aktionsmöglichkeiten. Die Gelenke lassen sich gleichzeitig ansteu-ern. Es ist kein Umdenken mehr notwen-dig, wie das bei konventionellen Prothe-sen bisher der Fall war. Der Patient führt Bewegungen intuitiv aus, welche die Pro-these direkt umsetzt. Voraussetzung dafür ist eine Operation, bei der die Ärzte die Nerven verlagern. Durch diesen sogenannten selektiven Nerventransfer lassen sich Signale, die ur-sprünglich für die Steuerung des Arms verantwortlich waren, für die Steuerung

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