Innovative Bewegungslösungen Treiben Die Neuesten Trends in Der Robotik Voran

EINFÜHRUNG

Innovationen in der Robotik werden durch die Entwicklungen in der Automatisierung und der künstlichen Intelligenz (KI) vorangetrieben, wodurch sich neue Märkte eröffnen, die die Entwicklung kleinerer, intelligenterer Roboter erfordern. Das System der Bewegungssteuerung ist ein entscheidender Bestandteil dieser Konstruktionen, da es die nötige Leistung für Robotikanwendungen bietet und die erforderliche kompakte Größe, Effektivität und Präzision ermöglicht. Dieser Artikel behandelt die neuesten Trends in drei gängigen Anwendungen – Bionik-, chirurgische Robotik- und Endeffektor-Technologien – sowie die Motortechnologien, die zum Antrieb dieser wichtigen Geräte verwendet werden.

BIONIK

Bionik – Übersicht

Das Wort Bionik besteht aus zwei Worten: Biologie und Elektronik. Der 1958 von Jack Steel geprägte Begriff wurde in den 1970er Jahren durch die beliebten Fernsehserien The Six Million Dollar Man und The Bionic Woman zum Mainstream. Die Bionik von heute existiert jedoch nicht nur auf dem Bildschirm, sondern hat sich aus dem Unterhaltungsbereich in die Welt der Medizinprodukte verlagert. Die aktuellen bionischen Lösungen konzentrieren sich darauf, das Leben von Menschen mit Behinderungen zu erleichtern, um ihnen zu helfen, ihre Bewegung und Mobilität zu verbessern. Zwei der häufigsten Beispiele sind Prothesen und Exoskelette.

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Zu den Prothesen gehören batteriebetriebene bionische Gliedmaßen (in der Regel Hand, Handgelenk, Ellbogen oder Knie), die von kleinen DC-Motoren angetrieben werden. Die Prothese kann entweder durch ein myoelektrisches Signal gesteuert werden, das Impulse des Stumpfes nutzt, oder durch einen Mikroprozessor, der Positions- und Beschleunigungsdaten von Sensoren sammelt, um die richtige Bewegung zu bestimmen.

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Exoskelette sind tragbare Geräte, die den Körper nach außen stützen und normalerweise die Gliedmaßen betreffen. Diese Hilfsmittel unterstützen den Patienten entweder durch einen elektrisch angetriebenen Mechanismus oder eine mechanische Konfiguration ohne Antrieb; sie werden häufig verwendet, um die Kraft, Ausdauer und Mobilität des Patienten zu verbessern. Exoskelette helfen Menschen mit Behinderungen, zu gehen oder Aufgaben auszuführen, die vor der Entwicklung dieser Technologie unmöglich waren.

Miniaturmotoren in Bionikanwendungen

Aufgrund des sensiblen Charakters der Anwendung müssen die Miniaturmotoren, die diese Geräte antreiben, kompakt, leicht und hochpräzise sein und eine lange Batterielebensdauer ermöglichen. Bionische Systeme funktionieren am besten mit bürstenbehafteten kernlosen DC-Motoren sowie bürsten- und nutenlosen Ultra ECTMMotoren; kleine bürstenbehaftete DC-Motoren werden in der Regel bei Ellbogen- oder Fingeranwendungen eingesetzt, während flache BLDC-Motoren für die größeren Gelenke wie Hüfte, Knie oder Schulter verwendet werden. Diese Motoren können mit Planetengetriebeköpfen kombiniert werden, um die Motordrehzahl zu regulieren, das Drehmoment zu erhöhen und die Systemleistung zu optimieren. Sie können auch mit Encodern kombiniert werden, um eine genaue Rückmeldung über die Gelenkposition zu erhalten, die präzisen Öffnungs-/Schließungsmessungen zu korrelieren und spezifische Griffmuster zu koordinieren.

Aktuelle Trends im Bereich Bionik

Das Gewicht einer Prothese oder eines Exoskeletts muss leicht und stabil genug sein, um die dafür vorgesehenen Aufgaben zu bewältigen. Fortschritte bei Materialien wie Kohlefaser und Graphene tragen dazu bei, das Gesamtgewicht zu minimieren, während leichte Motoren mit hoher Leistungsdichte und Getriebemotoren die erforderliche Langlebigkeit bieten.

Technologische Fortschritte bei Steuersystemen und Ergonomie haben zu einer intuitiveren und komfortableren Bedienung geführt. Leichte Motoren mit hoher Leistungsdichte reduzieren das Gesamtgewicht des Geräts und ermöglichen dem Benutzer damit eine einfachere und natürlichere Bewegung. Motoren mit hohem dynamischem Ansprechverhalten tragen zu einem ruhigeren Betrieb, zuverlässigen Greifmustern und erhöhter Festigkeit bei.

Innovationen und verbesserte Fertigungstechnologien tragen dazu bei, die Kosten zu senken, um bionische Geräte erschwinglicher zu machen. Der 3D-Druck ermöglicht es Geräteentwicklern, neue Ideen schnell zu testen, um die Entwicklungszeit zu verkürzen. Darüber hinaus trägt die verstärkte Zusammenarbeit mit Fachleuten für Bewegungssteuerung zur Optimierung der Motorleistung bei, was zu kostengünstigeren Ansteuerungsystemen führt.

Es wird bereits an der Entwicklung von Schnittstellen zwischen Gehirn und Maschine geforscht, die es den Nutzern ermöglichen, bionische Gliedmaßen mit ihren Gedanken zu steuern, und es wird erwartet, dass die Entwicklung im nächsten Jahrzehnt bionische Gliedmaßen noch intuitiver und reaktionsfähiger machen wird.

CHIRURGISCHE ROBOTIK

Chirurgische Robotik – Übersicht

Der Bereich der robotergestützten Chirurgie hat sich in den letzten Jahrzehnten wesentlich erweitert und umfasst nun eine lange Reihe von Verfahren, die heute sicher durchgeführt werden können. Die erste robotergestützte Chirurgie wurde 1985 durchgeführt, wobei sich die Fähigkeiten bis 2010 nur geringfügig verbesserten, als das DaVinci-System zum am weitesten verbreiteten chirurgischen Roboter auf dem Gebiet wurde.

Chirurgische Roboter sind in der Regel eine Kombination aus verschiedenen chirurgischen Werkzeugen und Roboterarmen, die mit laparoskopischen Klemmen ausgestattet sind. Chirurgen können die Roboterarme von einer ferngesteuerten Konsole aus präzise steuern. Die Roboterarme und -werkzeuge bieten ein haptisches Feedback, das dem Chirurgen eine ähnliche sensorische Reaktion wie bei einem persönlichen chirurgischen Eingriff vermittelt, während ihre extreme Präzision eine minimalinvasive Chirurgie erleichtert, so dass sich der Patient viel schneller erholen kann als bei einer herkömmlichen offenen Operation.

Miniaturmotoren in chirurgischen Roboteranwendungen

Für chirurgische Roboter gelten besondere Anforderungen wie kompakte Größe, geringes Gewicht, hohe Kraftdichte und Sterilisierbarkeit. Aufgrund der hohen Variabilität der Anwendungsanforderungen ist es nicht möglich, eine einheitliche Motorlösung zu entwickeln. Insbesondere benötigen nicht alle Motoren innerhalb eines chirurgischen Robotersystems eine sterilisierbare Lösung. Andere Anforderungen beziehen sich auf die Robustheit und Langlebigkeit des Motors, etwa bei Autoklavenanwendungen, oder auf die präzise Positionierung, die für die Bewegungssteuerung von Robotern erforderlich ist, z. B. bei Gelenkmanipulationen.

Mehrere Miniaturmotortechnologien können Operationsroboter antreiben, darunter bürstenlose DC-Motoren, kernlose und bürstenbehaftete DC-Motoren mit Eisenkern sowie lineare Schrittmotoren. Die kundenspezifische Anpassung des Motors stellt sicher, dass die gewünschten Leistungsziele innerhalb einer definierten Baugröße erreicht werden. Zu den spezifischen Beispielen für chirurgische Robotikanwendungen, die Miniaturmotoren verwenden, gehören:

•	Endo-Wrist
•	Einsetzen des Werkzeugs
•	Armrotation, Gieren, Neigen, Halten
•	Haptische Rückmeldung
•	Optisches Inspektionssystem
•	Herkömmliche chirurgische Instrumente

Aktuelle Trends in der chirurgischen Robotik

Der weltweite Markt für chirurgische Robotik ist in den letzten zehn Jahren deutlich gewachsen. Die Größe des Markts, die 2022 auf 4,4 Mrd. USD geschätzt wurde, wird bis 2030 voraussichtlich um eine CAGR-Rate von 18 % wachsen. Technische Innovationen, Fortschritte bei den Rechenkapazitäten und Verbesserungen bei optischen Inspektionssystemen haben dieses Wachstum vorangetrieben und werden dies auch weiterhin tun. Verbesserungen bei robotergestützten Plattformen, chirurgischen Instrumenten, Bildgebungssystemen, haptischem Feedback und künstlicher Intelligenz verbessern die Präzision und Fähigkeiten robotergestützter Operationen.

Ein Faktor für die anhaltende Expansion der robotergestützten Chirurgie ist die breite weltweite Akzeptanz dieser Technologie durch Gesundheitseinrichtungen und Chirurgen, um die chirurgische Präzision zu verbessern, die Invasivität und die Genesungszeiten zu reduzieren und die Patientenergebnisse zu verbessern.

Der Einsatz von KI und Algorithmen des maschinellen Lernens zur Analyse medizinischer Daten und zur Unterstützung bei der chirurgischen Entscheidungsfindung wird im Laufe des nächsten Jahrzehnts immer häufiger werden, um die chirurgischen Ergebnisse zu verbessern und das Komplikationsrisiko zu reduzieren. Fortschritte in der Teleoperationstechnologie können es Chirurgen zudem ermöglichen, komplexe Operationen aus der Ferne an Patienten durchzuführen, die sich an abgelegenen oder unzugänglichen Orten befinden.

ENDEFFEKTOREN

Übersicht der Endeffektoren

Roboter simulieren aufgrund der Art der Aufgaben, die sie ausführen, sich wiederholende Handlungen, die traditionell von Menschen ausgeführt werden. Fast jede Roboteranwendung benötigt ein Gerät, um ein Objekt aufzunehmen oder zu ergreifen, ein Werkzeug zu halten oder ein Objekt zu schieben bzw. zu ziehen. Endeffektoren, die sich am Ende von Roboterarmen befinden, führen die für einen bestimmten Roboter erforderlichen Aktionen aus und sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich; dazu gehören elektrische Parallel-, Winkel- und Drei-Finger-Greifer.

•	Elektrische Parallel-Greifer sind der gängigste Typ eines elektrischen Endeffektors und bestehen aus zwei Greifern, die sich parallel zueinander bewegen, um einen Gegenstand zu ergreifen. Diese Greifer sind vielseitig einsetzbar und für eine Vielzahl von Objektgrößen geeignet.
•	Elektrische Winkel-Greifer verfügen über Greifer, die sich in einer Winkelbewegung bewegen, in der Regel mit Rotation um einen zentralen Drehpunkt, und eignen sich für Einsätze, bei denen Gegenstände von der Seite oder in einem Winkel aufgenommen werden müssen.
•	Elektrische Drei-Finger-Greifer verfügen über drei einzeln steuerbare Finger, die sich an Objekte unterschiedlicher Form und Größe anpassen lassen. Diese Greifer bieten eine erhöhte Geschicklichkeit und die Möglichkeit, komplexe Objekte zu handhaben.

Miniaturmotoren in Endeffektoren

Miniatur-Elektromotoren werden aufgrund ihrer Steuerbarkeit, Flexibilität, Kraftdichte und Robustheit herkömmlichen pneumatischen Geräten vorgezogen. Sie sind für den Antrieb dieser Geräte zuständig und gewährleisten so die hochpräzise Positionierung der Greiffinger, die Greiferkennung sowie die Steuerung der Greifkraft und -geschwindigkeit.

In diesen Anwendungen werden häufig sowohl bürstenbehaftete DC- als auch BLDCMotoren eingesetzt. Bürsten- und nutenlose DC-Motoren bieten die hohe Leistungsdichte, die geringe Trägheit, die hohe Präzision und das geringe Gewicht, die erforderlich sind, um die Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Geber sind in Greiferkonstruktionen integriert, um Rückmeldungen über die Greiferklauen zu erhalten, während Getriebeköpfe auch zur Optimierung des für die Anwendung erforderlichen Leistungspunkts (Drehzahl, Drehmoment) verwendet werden können. Die kundenspezifische Anpassung des Motors ist ebenfalls wichtig; Beispiele dafür sind das Hinzufügen mehrerer Wicklungen und Getriebe zur Anpassung von Drehzahl und Drehmoment sowie die Verwendung spezieller Materialien, die Stößen, hohen Arbeitszyklen und Temperaturbeschränkungen standhalten.

Aktuelle Trends bei Endeffektoren

HMotoren mit hohem Drehmoment und hoher Leistungsdichte liefern die erforderliche Greifkraft. Zukünftige Greiferkonstruktionen werden die Hersteller dazu motivieren, höhere Motordrehmomente und Kraftdichten für eine verbesserte Greifkraft sowie kompakte und leichte Greiferkonzepte zu entwickeln. Der zunehmende Bedarf an präziser Positions- und Kraftsteuerung erfordert Motoren mit fortschrittlichen Rückkopplungsvorrichtungen, wie z. B. hochauflösende Geber, um genaue und reaktionsschnelle Griffeinstellungen zu ermöglichen. Ein verbessertes dynamisches Ansprechverhalten der Greifermotoren sorgt für eine optimale Handhabung von Objekten mit unterschiedlicher Größe, Form und Gewicht.

Eine verbesserte Reaktionsfähigkeit trägt zu schnelleren Öffnungs- und Schließzeiten bei, was zu einer höheren Produktivität führt. Dieser Trend wird Motoren mit verbesserten Beschleunigungseigenschaften begünstigen.

Greifer sind sich wiederholenden und manchmal anspruchsvollen Betriebsbedingungen ausgesetzt. Künftige Trends zur Integration von Robotern in gefährliche und umweltbelastende Anwendungen erfordern robuste, langlebige und zuverlässige Elektromotoren. Die Motoren müssen einem dauerhaften Betrieb über längere Zeiträume ohne wesentliche Leistungseinbußen standhalten. Verbesserte Motorkonstruktionen und -materialien können zu einer längeren Lebensdauer und Verlässlichkeit beitragen.

Die Senkung der Gesamtsystemkosten ist ein weiterer Trend, mit dem viele Hersteller von Endeffektoren konfrontiert sind. Elektrische Greifer werden herkömmliche pneumatische Greifer zunehmend ersetzen, die komplexe Luftversorgungssysteme wie Kompressoren, Filter, Regler und Ventile erfordern. Der Austausch dieser pneumatischen Komponenten durch elektrische Greifer trägt dazu bei, die Kosten für Installation, Wartung und Betrieb pneumatischer Systeme zu reduzieren. Da die Nachfrage nach energiesparenden Lösungen steigt, müssen zukünftige elektrische Greifsysteme der Energieeffizienz Priorität einräumen. Künftige Motoren sollen Energieverluste reduzieren und den Energieverbrauch bei Greifvorgängen minimieren. Energieeffiziente Konstruktionen tragen auch zu einer Senkung der Betriebskosten bei.

Im Laufe des nächsten Jahrzehnts wird die Integration von maschineller Bildverarbeitung und KI es Greifern ermöglichen, Objekte genauer zu identifizieren und zu manipulieren, selbst in unübersichtlichen oder komplexen Umgebungen. Um die Effizienz und Vielseitigkeit des Endeffektors zu steigern, sollten zukünftige Entwicklungen bei der Konstruktion von Greifern es diesen ermöglichen, mehrere Aufgaben gleichzeitig auszuführen.

FAZIT

Miniaturmotoren eignen sich aufgrund ihrer kompakten Baugröße und ihrer bemerkenswerten Leistungsfähigkeit hervorragend für die Bewältigung von Herausforderungen in der Robotikindustrie. Diese Motoren sind so optimiert, dass sie die anspruchsvollsten Anwendungsanforderungen erfüllen – und übertreffen –, sei es durch den Antrieb bionischer Gliedmaßen, um die Mobilität und Selbstständigkeit der Patienten zu erhöhen, durch die Möglichkeit der chirurgischen Robotertechnologie, die Genesungszeit der Patienten zu verkürzen und Krankenhausaufenthalte zu minimieren, oder durch die Verbesserung von Greifertechnologien, um den Bedarf an gefährlichen bzw. sich wiederholenden menschlichen Aufgaben in unsicheren Arbeitsumgebungen zu reduzieren.

Die Multitechnologie-Angebote von Portescap und das Know-how in Bezug auf die Zusammenarbeit bedeuten große Vorteile für die Kunden – und stellen mehrere Technologieoptionen für eine Anwendung zur Verfügung, von denen jede spezifische Vorteile bei der Erfüllung bedeutender Anforderungen bietet. Die Engineering-Experten von Portescap verfügen über jahrzehntelange Erfahrung beim Lösen der anspruchsvollsten Bewegungsanwendungen und ermöglichen maßgeschneiderte, kostengünstige Robotiklösungen.

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