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Antriebstechnik

Roboterhand nähert sich Vorbild

Fünf gelenkige Finger mit Kraft und Gefühl sind das Kennzeichen einer menschlichen Hand. Um diesem natürlichen Vorbild näher zu kommen, setzen Entwicklungsingenieure innovative Antriebe und Hochleistungs-Bus-Technik ein. Damit erhöhen sie die Bewegungsfreiheit von Roboterhänden und verleihen den künstlichen Händen immer bessere Eigenschaften.

Als Endoprothese mutet die von Gedanken gesteuerte Roboterhand wie der Einfall eines Science-Fiction-Autors an. Am US-amerikanischen Massachusetts General Hospital in Boston indes hat unlängst ein querschnittsgelähmter Patient eine Roboterhand per Gedankenübertragung indirekt bewegt. Die Steuerungsbefehle liefert ein Computer, der die an ihn übertragenen Aktivitätsmuster von Hirnzellen richtig interpretieren kann.

Auch im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen steht bereits eine neue Generation an Greifwerkzeugen auf der Agenda, die mit fünf Fingern ähnliches vollbringen sollen, wie die Hände eines Menschen. Die Entwicklung menschlich nachempfundener Roboterhände schreitet nämlich rasant voran. Experten rechnen damit, dass Mehrfinger-Hände auch im Arbeitsalltag Einzug halten werden. Der Einsatz als Endoprothese in der medizinischen Versorgung zählt zu den zukunftsträchtigen Anwendungsfeldern.

Grosse Fortschritte in der Mikroelektronik und der Mikromechanik machen es möglich, Mehrfingerhände mit separat ansteuerbaren Fingern und der menschlichen Hand nachempfundenen Gelenken herzustellen. Die dazu benötigte komplexe Mechanik und Steuerelektronik kann sogar teilweise auf kommerziellen Standardkomponenten aufgebaut werden.

Zusammen mit dem chinesischen Harbin Institute of Technology (HIT) hat die DLR eine neue Roboterhand entwickelt. Die neue DLR-HIT-Hand II besteht aus fünf Fingern mit je vier Gelenken und drei Freiheitsgraden und ist im Vergleich zu ihrem Vorgänger DLR-HIT-Hand I kleiner und leichter. Vier Finger werden benötigt um auch konische Teile umfassen zu können und ein Daumen dient als Gegenkraft.

Jeder Finger benötigt mehrere, von einander unabhängig ansteuerbare Antriebe. Pro Hand sind 15 bürstenlose Gleichstrommotoren mit Hallsensoren im Einsatz. Die von Maxon Motor gelieferten 3-Watt-Antriebe EC 20 flat sind preiswerte, kommerziell verfügbare Produkte mit hoher Leistungsdichte bei geringem Bauvolumen. Die Motoren inklusive Hallsensoren bilden eine Einheit von 10.4 Millimetern Länge bei einem Außendurchmesser von 21.2 Millimetern und einem Gewicht pro Motor von 15 Gramm und verfügen über Harmonicdrive-Getriebe.

Die Motoren der DLR-HIT-Hand II werden direkt in die Finger eingebaut. Die Positions- und Betriebsdaten für den Steuerungsrechner übermitteln ein selbstentwickelter kontaktloser Winkelsensor und ein Drehmomentsensor. Beide Sensoren müssen anwendungsbedingt sehr hoch auflösen. Ein Hochgeschwindigkeits-Bus überträgt die anfallende Datenflut. Um die richtigen Steuerungssignale für die Stellglieder zu erhalten ist ein sehr schneller Vergleich von Soll- und Istwerten ausschlaggebend.

Deshalb kommt es auf die echtzeitfähige Datenübertragung mittels FGPAs (Field Programmable Gate Arrays)an. Die serielle Verbindung von Hand und Steuerungsrechner beruht dabei lediglich auf drei Leitungen. Die eigentliche Steuerung, ein Signalprozessor auf einer PCI-Einsteckkarte, ist in einem handelsüblichen PC integriert. Wer jetzt noch einen Weg findet, um Gedanken oder Gestiken drahtlos mit dem PC zu verbinden, kommt der Vision einer perfekten Ersatzhand nahe.