Chemnitzer Robotik-Forscher erfinden neues Robotergelenk
Neues Patent an der Professur Robotik und Mensch-Technik-Interaktion, Prof. Dr.-Ing. Ulrike Thomas, für nachgiebiges Robotergelenk erteilt – Erfindung soll die Mensch-Roboter-Interaktion sicherer machen
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Doktorand Hongxi Zhu und Professorin Ulrike Thomas probieren gemeinsam den Laufroboter aus, in dem das nachgiebige Robotergelenk integriert werden kann. Foto: Jacob Müller -
Schematische Darstellung des patentierten Robotergelenks: Die Federn sind über eine Kurvenscheibentechnik verbunden. Ein kleiner Linearmotor stellt die Federhärte des Gelenks ein. Grafik: Professur Robotik und Mensch-Technik-Interaktion
Das Deutsche Patentamt erteilte am 23. Juli 2020 dem Erfinder TU-Doktorand Hongxi Zhu und der Erfinderin Professorin Ulrike Thomas, Leiterin der Professur Robotik und Mensch-Technik-Interaktion sowie stellvertretende Sprecherin des Sonderforschungsbereichs Hybrid Societies, ein neues Patent auf dem Gebiet innovativer Robotergelenke. Die Erfindung eignet sich für eine sichere Interaktion zwischen Mensch und Roboter. Bei dem Gelenk handelt es sich um ein sogenanntes nachgiebiges Gelenk. In Deutschland gibt es auf dem Gebiet genau zwei Patente. Ein etwas älteres Patent, angemeldet durch das Deutsche Zentrum für Luft-und Raumfahrt, und dieses neue Gelenk, angemeldet durch die TU Chemnitz. Eine Lizensierung dieses Patents steht kurz bevor.
Neues Gelenk mindert Verletzungsgefahr
Seit 2016 tüfteln die Erfinderin und der Erfinder an diesem neuen Robotergelenk. Bisherige Gelenke wurden mit Sensoren, meistens Kraftsensoren, ausgestattet, um die Kontaktkräfte im Fall einer Kollision messen und ggf. ausweichen zu können. Andere Techniken verwenden externe optische Sensoren und überwachen so die Distanz zwischen Roboter und Mensch. Durch das neue Gelenk lässt sich dank einer Feder Energie aufnehmen. Damit kann Kollisionsenergie abfließen und der Roboter darf sich in naher Umgebung eines Menschen schneller bewegen, ohne dass dieser gefährdet wird. International gibt es noch einige Gelenke, die Federn verbauen, um Kollisionsenergie zu absorbieren. Die Herausforderung liegt darin, die Federhärte nicht-linear einstellen zu können, so dass bei Arbeiten, die eine hohe Kraft erfordern, der Roboter selbstständig adaptiv die Federhärte einstellen kann, um so auch z. B. einen Nagel in eine Wand schlagen zu können. „Mit dem Gelenk ist es uns gelungen, einen sehr großen Bereich abzudecken und gleichzeitig ein kompaktes Design für das Robotergelenk zu bieten“, sagt Thomas. Ein weiterer Vorteil der nachgiebigen Gelenke: Die gespeicherte Energie kann auch zur Beschleunigung der Bewegung verwendet werden, so dass ein humanoider Roboter Bälle werfen oder springen kann. Die erste Idee hatte Thomas bei Betrachtung eines Harmonic-Drive-Getriebes – ein Wellengetriebe mit hoher Übersetzung – ebenfalls eine elliptische Form auszunutzen, so dass sich ein nicht-lineares Verhalten realisieren lässt. Thomas‘ Mitarbeiter Hongxi Zhu entwickelte die ersten Ideen dann schnell zu funktionierenden Prototypen weiter.
Hintergrund: Professur Robotik und Mensch-Technik-Interaktion
An der TU Chemnitz ist in den letzten fünf Jahren unter Leitung von Professorin Ulrike Thomas ein neues Robotik-Team entstanden, welches auf dem Gebiet der humanoiden Robotik, insbesondere der Perzeption und Kognition, der Mensch-Roboter-Interaktion und der Laufrobotik intensiv forscht. Dabei entwickelt die Professur neue mechatronische Systeme, wendet moderne Methoden aus der KI-Forschung an und verbessert somit die Fähigkeiten von Robotern – nicht nur in der Mensch-Roboter-Interaktion. Die entwickelten Roboter sollen dabei feinfühliger greifen oder stabiler laufen und sicherer mit ihrer Umgebung interagieren können. Schließlich ist es das Ziel, geeignete robotische Helfer zu erhalten, sei es in Pflegeeinrichtungen, in der Produktion oder für zu Hause. Auch in der Pandemie könnten sie einen nützlichen Dienst erweisen. Außerdem konnte die Professur mit ihren Forschungsarbeiten das Vorhaben um den Sonderforschungsbereich Hybrid Societies erheblich stärken, so dass die Initiative schließlich erfolgreich war und an der TU-Chemnitz der SFB 1410 eingerichtet werden konnte.
Die Forschungsarbeiten wurden finanziert aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds (ESF) und mit Steuermitteln des Freistaates Sachsen auf Grundlage des von den Abgeordneten des Sächsischen Landtags beschlossenen Haushaltes.
Weitere Informationen erteilt Prof. Dr.-Ing. Ulrike Thomas, Tel. +49 (0)371/531-31648, E-Mail ulrike.thomas@etit.tu-chemnitz.de
Matthias Fejes
25.08.2020
