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DER KONSTRUKTEUR 6/2016

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ROBOTIK I SPECIAL Für

ROBOTIK I SPECIAL Für mehr Mobilität und Freiheit Harmonic Drive Getriebe erfüllen die Anforderungen in einem Exoskelett Wolfgang Bös Das Thema Robotik wird zurzeit in den unterschiedlichsten Projekten neu geschrieben, zum Beispiel auch in dem Projekt Vari Leg an der ETH Zürich. Dabei haben die Studenten alle Schritte der Produktentwicklung von der Planung über die Erstellung des Konzepts bis hin zur Ausarbeitung und der Produktion selbst in der Hand. Bei den Getrieben für die Knie- und Hüftgelenke entschieden sie sich für Harmonic Drive Getriebe. Wolfgang Bös, Harmonic Drive Switzerland AG, Trimbach Den Beteiligten im Projekt Vari Leg ist es gelungen, in einem interdisziplinären Team aus Maschinenbau-, Elektrotechnikund Industriedesignstudenten ein Exoskelett für Querschnittgelähmte zu entwickeln. Mit diesem Exoskelett wird das Team am Cybathlon 2016 teilnehmen, einem Wettkampf für Personen mit Behin- derung, welche auf aktive Assistenzgeräte angewiesen sind. Ziel dieses kompetitiven Anlasses ist es, die Entwicklung roboterbasierter Assistenzsysteme voran zu treiben, indem die Alltagstauglichkeit der antretenden Geräte auf verschiedenen Hindernissen getestet wird. Darüber hinaus verfolgt die Projektgruppe das langfristige Ziel, Paraplegikern einen Teil ihrer Mobilität und Freiheit zurück zu geben. Bereits jetzt sind Bewegungen wie Aufstehen, Absitzen und Gehen mit dem Exoskelett möglich. Tatkräftige Unterstützung erhielt die Gruppe durch zahlreiche ansässige Technologieunternehmen, die als Sponsoren und Wissensvermittler für das Projekt gewonnen werden konnten. Eines dieser Unternehmen ist die Harmonic Drive Switzerland AG in Trimbach. Sie stellte den Studierenden die Getriebe für die Antriebseinheit zur Verfügung und leistete zudem Hilfestellung bei ihrer korrekten 40 Der Konstrukteur 6/2016

SPECIAL I ROBOTIK Montage sowie bei der Festlegung der Schnittstellen, wodurch das Einbaumaß reduziert und eine hohe Systemintegration erreicht werden konnte. Sechs leistungsstarke Antriebseinheiten Das VariLeg Exoskelett verfügt über zwei Freiheitsgrade pro Bein, in Hüfte und Knie. Diese werden von sechs leistungsstarken Antriebseinheiten bestehend aus jeweils einem Maxon EC90 Flat Motor und einer Unit der Getriebe-Baureihe SHD der Harmonic Drive AG angetrieben. Die obere Antriebseinheit bewegt das Hüftgelenk. Die mittleren Antriebe im linken und rechten Kniegelenk steuern die Federvorspannung der Knieantriebe, die unteren Antriebe regulieren hingegen die Gleichgewichtsposition des Kniegelenks. Mit dem Zusammenspiel dieser zwei Aktuatoren kann die Impedanz im Kniegelenk dynamisch variiert werden. Die Bewegungsabläufe werden von einem high level Regler bestehend aus einer Statemachine und einem Trajektoriengenerator geplant und anschließend von drei low level PID Reglern gefolgt. Die Hardware ist im Master-Slave Prinzip aufgebaut. Die höchste Ebene der Regelung übernimmt ein Tablet PC. Dieser kommuniziert mit ARM Boards, die für die untergeordnete Die Getriebe erfüllen die Forderungen nach hohem Drehmoment und hoher Übersetzung bei kleinem Bauvolumen Regelungsebene zuständig sind und jeweils zwei Motoren ansteuern. Kernelement des VariLeg Exoskeletts ist das Kniegelenk. Dieses ist nicht direkt mit dem Getriebe verbunden, sondern verfügt über einen sogenannten SEA (serial elastic actuator), dessen Steifigkeit verstellt werden kann, wodurch ein VSA (variable stiffness actuator) entsteht. Das dahinter liegende Prinzip heißt Maccepa (mechanical adjustable compliance and controllable equilibrium position actuator) und wurde an der Freien Universität Brüssel entwickelt. Der Maccepa besteht im Wesentlichen aus einer Feder und zwei Antriebseinheiten. Die obere Antriebseinheit spannt die Feder vor, um die gewünschte Steifigkeit zu erreichen, während der untere Antrieb für die Auslenkung des Unterschenkels zuständig ist. Diese variable Steifigkeit ermöglicht es dem System, intrinsisch auf kleine Störungen wie Unebenheiten zu reagieren, was das VariLeg Exoskelett von anderen bereits existierenden Exoskeletten unterscheidet. Getriebe für den menschlichen Gang Die Anforderungen an das Exoskelett ergaben sich aus den Kräften und Geschwindigkeiten, die benötigt werden, um den menschlichen Gang zu imitieren. Dabei STATEMENT Dr. Michael Döppert, Chefredakteur Für neue Anwendungen und für deren vielleicht auch bisher so nicht da gewesenen Anforderungen an die Konstruktion müssen nicht zwangsläufig neue Maschinenelemente entwickelt werden. Gerade wenn – wie im Fall der Harmonic Drive Getriebe – deren Kombination von Eigenschaften so viele Ansätze für Kinematikkonstruktionen bietet. sollte die Kinematik des Gesamtsystems, also Pilot und Exoskelett, durch große Massen nicht zu stark beeinflusst werden oder weit abstehende Teile die Benutzerfreundlichkeit übermäßig einschränken. Der Maccepa-Mechanismus begrenzte zusätzlich den verfügbaren Bauraum. All diesen Anforderungen konnten lediglich Harmonic Drive Getriebe gerecht werden. Das Harmonic Drive Getriebe gehört zur Gruppe der Wellgetriebe. Bestehend aus den drei Komponenten Wave Generator, Flexspline und Circular Spline vereint INDUSTRIE 4.0 EINFACH. FLEXIBEL. PERFEKT. Greiferserie GEH6000IL + Höchste Leistungsdichte + Brushless DC Servo-Motor + Integrierter Controller / Advanced Control Modul + Vorprogrammierte Verfahrprofile + Selbsthemmung bei Stromabfall + IO-Link Einkabellösung THE KNOW-HOW FACTORY Besuchen Sie uns auf der Automatica, Halle A5 /Stand 103 www.zimmer-group.de

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