ISELLA 2 – Biomechanisch orientierter Leichtbauroboterarm mit QuadHelix-Antrieben

Als Antriebseinheit zur Bewegung des biomechanisch orientierten Roboterarms dient ein neuartiger Seilzugantrieb, der eine Weiterentwicklung des DoHelix-Muskels darstellt. Der erste Prototyp des Arms wird auf der 50-Jahr-Feier des Fraunhofer IPA vom 1.-3. Juli präsentiert.

Der DoHelix-Muskel besitzt ähnliche Eigenschaften wie ein biologischer Muskel. Durch die Aufwicklung und damit Verkürzung einer zugfesten Schnur kann er eine Kraft aufbringen. Hierbei wird ein hochfestes und flexibles Kunststoff-Seil in Form einer doppelten Helix von zwei Seiten auf eine dünne Motorwelle gewickelt. Die diametrale Aufteilung der Zugkräfte orthogonal zur Welle ermöglicht kleine Wellendurchmesser, da nur geringe Biegekräfte in der Welle auftreten. Der Wegfall schwerer Übertragungselemente reduziert das Antriebsgewicht. Durch die realisierte Untersetzung können hohe Stellkräfte in den Seilen erreicht werden.

Der im ISELLA 2 verwendete QuadHelix-Antrieb nutzt zwei DoHelix-Seile, die gegenläufig auf demselben Wellenabschnitt laufen, wie in Abb. 1 dargestellt. Ein Motor kann somit eine Rotations- oder Linearachse in beide Richtungen bewegen. Die Drehung der Antriebswelle wird durch eine Kombination von Schnecke und Zahnstange oder eine Spindelmutter in eine Translationsbewegung der Motoreinheit umgesetzt. Das Modul der Schnecke bzw. Spindelmutter ist hierbei angepasst auf den Wellen- und Schnurdurchmesser, wodurch stets eine saubere Aufwicklung des Seils gewährleistet wird.

Vorteil dieses Konzepts gegenüber anderen Antriebslösungen ist das geringere Gewicht des Antriebs, kombiniert mit einer hohen Energieeffizienz bei der Umwandlung von elektrischer in mechanischer Energie und ein hohes Drehmoment an der Rotationsachse. Vorteil gegenüber dem DoHelix-Muskel ist die Nutzung nur eines Motors für die beidseitige Bewegung um einen Freiheitsgrad gegenüber den zwei Motoren pro Freiheitsgrad bei ISELLA 1, was ein verbessertes Eigengewicht zu Nutzlast-Verhältnis bewirkt.

Der modulare ISELLA-2-Leichtbauroboterarm ist aus zwei 2-Freiheitsgrad-Einheiten und einem institutseigenen Greifer aufgebaut. Er besitzt 4 Freiheitsgrade im Armbereich und 3 Freiheitsgrade im Greifbereich. Jeder Freiheitsgrad wird von einem QuadHelix-Antrieb aktuiert. Die Controller sind, wie in Abb. 2 dargestellt, in zwei Modulen links und rechts an der unteren Antriebseinheit befestigt. Der Arm inklusive des Greifers wiegt circa elf Kilogramm.

Der erste Prototyp des Arms, der auf der 50-Jahr-Feier des Fraunhofer IPA Anfang Juli präsentiert wird, konnte kostengünstig realisiert werden. Die preiswerten Kraftübertragungskomponenten in Form von HPPE-Schnüren, die günstige Sensorik, die Verwendung von Kunststofflagern und die Konstruktion unter Verwendung von vielen Gleich- und Zukaufteilen machen dies möglich.

Das neuartige Antriebskonzept QuadHelix ist für viele Anwendungen einsetzbar, speziell im Bereich der Leichtbaurobotik und Prothetik. So sind Anwendungen für unterstützende Exoskelettstrukturen ebenso denkbar wie die Nutzung des ISELLA 2 als Manipulatorarm auf einer autonomen Serviceroboterplattform oder als Handlingeinheit in kleinen und mittleren Unternehmen.

Ihr Ansprechpartner für weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dipl.-Ing. Arne Rost
Telefon: +49 711 970-1315 I arne.rost@ipa.fraunhofer.de