Konstruktion: Eine Antriebslösung für einen Roboter auf Rädern

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Pradeep Deshman und Manoj Pujari vom Antriebsanbieter Portescap diskutieren die Antriebsanforderungen für Roboter auf Rädern.

• Bei Anwendungen, die eine schnelle Geschwindigkeit und einen effizienten Antrieb erfordern, können Roboter auf Rädern im Vergleich zu Laufrobotern Vorteile aufweisen.

• Ihr einfacheres Design kann auch niedrigere Kosten und weniger Wartung bedeuten.

• Um diese Vorteile zu realisieren, gilt es, das Antriebssystem eines Roboters auf Rädern sorgfältig zu spezifizieren.

• Dabei sind die Haltbarkeit, die Effizienz und der Geräuschpegel zu berücksichtigen.

Pradeep Deshmane, Principal Engineer – Gearbox, R&D, Portescap, und Manoj Pujari, Lead Engineer – Product & Development, Portescap, diskutieren die Antriebsanforderungen für Roboter auf Rädern.

Ein großer Vorteil von Robotern ist ihre Fähigkeit, Aufgaben zu erledigen, die für Menschen schwierig oder gefährlich sind. Viele dieser Anwendungen hängen von Robotern mit Radantrieb ab. Aus Sicht der Hersteller sind sie einfacher zu entwerfen, zu bauen und zu programmieren. Aus Sicht der Benutzer können Roboter auf Rädern schneller, effizienter und widerstandsfähiger sein. Das setzt allerdings voraus, dass das Gelände nicht mit vielen Hindernissen übersät ist. Die Einsatzmöglichkeiten für Roboter auf Rädern reichen von der Rohrleitungsinspektion über das Gesundheitswesen bis hin zum häuslichen Gebrauch.

Motor- und Getriebesystem für Roboter auf Rädern

Ein wesentlicher Bestandteil eines Roboters auf Rädern ist sein Motor- und Getriebesystem. Grundsätzlich muss das System kompakt und leicht sein und in der Lage sein, das erforderliche Drehmoment für die Bewegung in der vorgegebenen Umgebung erzeugen zu können. Da sie oft in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden, müssen sie auch sehr langlebig sein. Bei vielen Anwendungen, ob bei der militärischen Überwachung oder in einem Krankenhaus, müssen auch die Geräuschemissionen minimal sein. Für Roboter auf Rädern ist eine hohe Energieeffizienz bei geringem Stromverbrauch entscheidend.

Aus diesen Gründen werden häufig eisenlose Gleichstrom-Bürstenmotoren oder bürstenlose Gleichstrommotoren in Verbindung mit kompakten Planetengetrieben eingesetzt. Da das Antriebssystem in eine Fläche von weniger als 40 mm Durchmesser passen muss, sind Mini-Motoren und -Getriebe erforderlich. Trotz der kompakten Größe muss das Ausgangsdrehmoment des Getriebes typischerweise 4 bis 8 Nm bei Drehzahlen zwischen 50 und 150 U/min bewältigen.

Spezifizieren der Antriebslösung

Um die Spezifikation zu ermitteln, beginnen Sie mit der Berechnung des erforderlichen Ausgangsdrehmoments. Dabei müssen die gewünschte Beschleunigung sowie der Raddurchmesser und die Masse berücksichtigt werden. Der Drehmomentbedarf zum Überwinden von Steigungen oder Hindernissen muss ebenfalls einbezogen werden und schließlich sollten auch die Reibung und die Fahrteffizienz berücksichtigt werden.

Nach der Berechnung des erforderlichen Drehmoments kann die Drehzahl der Räder bestimmt werden, sodass eine geeignete Motor- und Getriebeauswahl auf der Grundlage der Ausgangsfrequenz getroffen werden kann. Je höher die Betriebsspannung ist, desto höher ist in der Regel auch die Drehzahlfähigkeit des Motors.

Während für den Encoder, die Bremse, den Motor und das Getriebe ausreichend Bauraum zur Verfügung stehen muss, ist bei geschlossener Motoreinheit die Betriebstemperatur und die Vermeidung von Überhitzung ein wichtiger Faktor. Die Motorkapazität und die Methoden zur Wärmeableitung muss man unter diesen Umständen berücksichtigen, um die Zuverlässigkeit des Roboters bei seinem Einsatz zu gewährleisten.

Entwicklung einer Antriebslösung für einen Roboter auf Rädern

Portescap hat kürzlich die Antriebslösung für einen Roboter mit Vierradantrieb entwickelt. Bei zwei Paaren angetriebener Räder dreht sich jedes Paar in dieselbe Richtung. Es ist wichtig, dass das Antriebssystem beide Paare mit der gleichen Drehzahl steuert. Denn sonst reduziert sich die Gesamtgeschwindigkeit des Roboters und die Lenkung lässt sich nicht ausrichten. Im Gegensatz zur Differentiallenkung, bei der die Räder einzeln angetrieben werden, hat diese Vierradantriebslösung eine Differentiallenkung, die nur einen einzigen Motor benötigt – dies reduziert den Platzbedarf, den Energieverbrauch und die Kosten.

Die Lösung wurde durch den Einsatz eines Portescap Gleichstrom-Bürstenmotors DC 35 GLT und eines Planetengetriebes mit einer Getriebeübersetzung von 99,8 erreicht. In einem Gehäuse von nur 32 mm Durchmesser und 115 mm Länge erreicht das Getriebe eine Ausgangsdrehmomentkapazität von 8 Nm bei einer Ausgangsdrehzahl von 80 U/min. Mit einer Lebensdauer von 1.000 Stunden kann das Antriebssystem Temperaturen von bis zu 125 °C standhalten. Diese Ergebnisse sorgen für einen zuverlässigen, dauerhaften Antrieb bei einer Vielzahl von Anwendungen von Robotern auf Rädern.

Spezialisierte Anwendungstechnik

Gelände kann für Roboter auf Rädern eine Herausforderung darstellen, insbesondere in felsigen Umgebungen, bei starkem Gefälle oder in Bereichen mit geringer Reibung. Während Technologien wie Ketten mit Differentialantrieb und Allradantrieb zunehmend zum Einsatz kommen, lassen sich auch Methoden zur Optimierung bestehender Antriebslösungen nutzen, um die Haltbarkeit und Effizienz zu erhöhen und den Geräuschpegel zu reduzieren.

Zum Beispiel lassen sich Nadelrollenlager einführen, um die Haltbarkeit und Effizienz zu erhöhen. Denn sie verhindern Ausfälle durch Berühren von Kanten und sorgen für eine leichtgängige Drehung der Planetenräder. Eine optimale Verzahnung des Getriebes mit geringeren Torsionskräften kann auch die Geräuschentwicklung reduzieren. Das ist darüber hinaus mit einer fortschrittlichen akustischen Simulation zur Vorhersage der Geräuschemission noch zu verbessern.

Um ein optimales Antriebssystem für einen Roboter auf Rädern zu entwickeln, ist es wichtig, dass es nach einer Analyse der Anwendungsanforderungen und der Umgebung, in der der Roboter eingesetzt werden soll, spezifiziert wird. Die Ingenieure von Portescap können Lösungen für die Antriebstechnik für Roboter anbieten und kundenspezifische Designs für konkrete Anforderungen erstellen.

Bild oben: Roboter zur Messung von Rohrleitungsparametern und Analyse der potenziellen Defekte für die automatische Rohrleitungs-Qualitätskontrolle. Bildquelle: Leo Pakhomov/Shutterstock.com, Portescap

Weitere Informationen: www.portescap.com

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