Das Designen und Entwickeln modularer Roboterplattformen ist ein Balanceakt. Ein einzelner Antrieb muss für unterschiedliche Konfigurationen geeignet sein, wie beispielsweise Roboterarme, -beine und mobile Gestelle. Jede Konfiguration weist jedoch unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Drehmoment, Drehzahl und Umgebung auf, was häufig zu Kompromissen führen kann, die die Leistung auf Ebene des Verbindungssystems einschränken.
HEBI Robotics hat es sich zur Aufgabe gemacht, Roboter zugänglicher zu machen, indem deren Konstruktion und Montage mit standardisierten Bausteinen vereinfacht wird. Ihr modularer Ansatz wird seit über zehn Jahren in einer Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen eingesetzt – von Schlangenrobotern und Hexapod-Laufrobotern bis hin zu Roboterarmen und mobilen Gestellen für die Inspektion von Rohrleitungen, zerstörungsfreie Prüfungen (NDT), Wartungsarbeiten und vieles mehr.
Im Zuge der weiteren Expansion von HEBI in industrielle Umgebungen führte ein neues Kundenprojekt zur Erweiterung des Antriebssortiments. Damit können die Anforderungen anspruchsvoller oder gefährlicher Arbeitsbereiche ohne Leistungseinbußen besser erfüllt werden.
Aufgabe
Das Kundenprojekt von HEBI erforderte ein Robotersystem, das in der Lage ist, sich in komplexen, beengten Räumen zu bewegen und Inspektionssonden und andere schwere Werkzeuge mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit zu positionieren. Die Umgebungsbedingungen waren sehr variabel und ähneln realen industriellen Bedingungen, wie sie beispielsweise in der Öl- und Gasindustrie, im Infrastrukturbereich oder in anderen rauen Umgebungen anzutreffen sind.
Statt auf die bewährte Serie von HEBI mit hochübersetzten, elastischen Antrieben und Stirnradgetrieben zurückzugreifen, erforderte dieses Projekt Antriebe mit hoher Drehmomentdichte und präziserer Bewegung über mehrere Freiheitsgrade hinweg, und das ohne entsprechende Größenanpassung oder Einbußen bei der architektonischen Flexibilität.
Dies bedeutete, dass die Integration des Motors in den Antrieb neu überdacht werden musste.
„Dank der kompakten Größe und des hohen Drehmoments von TBM2G können wir reibungslosere, schnellere und präzisere Robotergelenke der nächsten Generation entwickeln. Wir lieben diesen Motor.“
– Dave Rollinson, Chief Technology Officer, HEBI Robotics
Lösung
Um die erforderliche Leistungssteigerung zu erreichen, konzentrierte sich HEBI darauf, den Motor direkt in die kompakte Antriebsbauweise zu integrieren. Dieser Ansatz führte zur Auswahl der gehäuselosen Motoren TBM™2G von Kollmorgen als Grundlage für den neuen H-Series Aktuator®.
Die gehäuselose Motorarchitektur ermöglichte es HEBI, die Drehmomentdichte, die thermische Leistung und die Modularität auf Verbindungsebene zu optimieren. Durch die direkte Integration von Stator und Rotor in den Antrieb mit hoher Drehmomentdichte bietet die H-Serie eine gleichmäßigere Bewegung und schnellere dynamische Bewegungen mit höherer Genauigkeit – ohne die Gesamtgröße des Antriebs zu vergrößern.
Durch die Zusammenarbeit der Teams von Kollmorgen und HEBI bei der Auswahl und Integration der Motoren konnte die Motorkonfiguration für die Anwendung optimiert werden. Diese Zusammenarbeit trug dazu bei, die Entwicklung zu optimieren und sicherzustellen, dass das kompakte Antriebsdesign die Leistungsziele sowohl für die H-Serie als auch für das vorliegende Kundenprojekt erfüllte.
Ergebnisse
Der Antrieb der H-Serie bot die für das Inspektionsprojekt in beengten Räumen nötige Leistungssteigerung und Präzision. Das System war in der Lage, schwere Werkzeuge unter engen mechanischen Verhältnissen präzise zu positionieren und übertraf dabei die Spezifikationen und Bewegungserwartungen unter realen Betriebsbedingungen.
Durch die Kombination des gehäuselosen Motors TBM2G mit einem Wellenverzahnungsgetriebe erreicht die H-Serie eine spielfreie Bewegung und ein bis zu zehnmal höheres Drehmoment als die bestehende Antriebsreihe. Durch diese Erhöhung der Drehmomentdichte konnte HEBI die Leistungsfähigkeit des gesamten Verbindungssystems erweitern, ohne die Größe des Antriebs zu vergrößern. Die kompakte, abgedichtete Bauweise des Antriebs – Schutzart IP65 – ermöglicht den Einsatz in anspruchsvollen, rauen Umgebungen.
Über die reine Leistung hinaus betrachtet vereinfacht der Antrieb der H-Serie die Fertigung und Montage. Der Übergang von einer komplexeren Antriebsbauweise zu einem optimierten, gehäuselosen, motorbasierten Ansatz verbessert die Herstellbarkeit und schafft einen klareren Weg zur Skalierung der Produktion. Das hohe Drehmoment-Größen-Verhältnis des Motors schuf außerdem Platz innerhalb des Antriebs für eingebettete Elektronik, wodurch intelligentere Verbindungen ohne eine Vergrößerung möglich wurden.
Die Reaktionsfähigkeit von Kollmorgen und die Zusammenarbeit der Ingenieure spielten während des gesamten Auswahl-, Konstruktions- und Integrationsprozesses eine wichtige Rolle. Enge technische Unterstützung und die Fertigung in den USA unterstützten HEBI bei der effizienten Gestaltung der Entwicklung bis zur Markteinführung.
Insgesamt positionieren die Ergebnisse den Antrieb der H-Serie als leistungsstarke Erweiterung der revolutionären modularen Roboterplattform von HEBI, deren Kernstück der gehäuselose Motor von Kollmorgen bildet. Gemeinsam trägt diese Kombination dazu bei, die nächste Phase der Entwicklung von HEBI zu gestalten, die unsere Welt prägen wird.
