Entwicklung einer integrierten Kraftmessung für Antriebsmodule im Humanoiden Roboter

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1 Entwicklung einer integrierten Kraftmessung für Antriebsmodule im Humanoiden Roboter Prof. Albert Albers, Dipl.-Ing. Markus Frietsch, Dipl.-Ing. Christian Sander, Dipl.-Ing. Jens Ottnad IPEK - Institut für Produktentwicklung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Kaiserstraße 10, Karlsruhe Tel.: +49 (0) , Fax: +49 (0) albers@ipek.uni-karlsruhe.de Zusammenfassung Humanoide Roboter stellen ohne Zweifel äußerst komplexe mechatronische Systeme dar. Bei der Entwicklung dieser Systeme resultieren aus den Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Domänen besondere Herausforderungen. Dieser Beitrag gibt einen Einblick in die Entwicklungsarbeiten der nächsten Robotergeneration ARMAR im Sonderforschungsbereich 588 (SFB 588) für Humanoide Roboter. Das Einsatzszenario dieses Roboters ist als unterstützende Kraft dem Menschen im Haushalt, konkret in der Küche, aber auch in Zukunft in der gesamten häuslichen Umgebung, Arbeiten abzunehmen. Die hierdurch resultierende enge, direkte Interaktion von Mensch und Roboter macht ein gutes Sicherheitskonzept erforderlich. Hierzu ist die Messung der vom Roboter ausgeübten Kräfte von wesentlicher Bedeutung. Ein weiterer Punkt, der eine möglichst präzise Kraft- bzw. Momentenmessung erforderlich macht, ist die angestrebte Nullkraftregelung. Hierbei wird der Roboter vom Menschen geführt, um beispielsweise Bewegungsabläufe zu erlernen. Für die Realisierung dieser Kraft- bzw. Momentmessung werden in diesem Beitrag unterschiedliche Konzepte diskutiert und vorgestellt. Zur detaillierten Gestaltung der eingesetzten Komponenten werden FE-Simulationen durchgeführt, wodurch eine möglichst kompakte und integrierbare Bauweise mit ausreichender Genauigkeit und moderaten Herstellungskosten erzielt wird. Die gestaltoptimierten Komponenten der Kraftmessung wurden aufgebaut und getestet. Zur Validierung der Simulationsergebnisse wird ein Prüfstand genutzt, der einen für Humanoide Roboter typischen Antriebstrang nachbildet und den Abgleich mit Standardmesssystemen erlaubt. Diese Daten werden zur Umsetzung der gesamten Einheit aus Motor, Getriebe und Sensorik herangezogen. Schlüsselwörter Robotik, Antriebssysteme, Messung, Kraft, Moment

2 Seite 144 A. Albers, M. Frietsch, C. Sander, J. Ottnad 1 Einleitung Im Gegensatz zu Industrierobotern, die in abgetrennten und gesicherten Bereichen arbeiten, sollen Humanoide Roboter eine enge Kooperation mit Menschen eingehen können. Hieraus ergibt sich eine Vielzahl von Unterschieden in der Zielsetzung. Aspekte wie Anmutung und Design etwa haben eine große Bedeutung, da diese deutlichen Einfluss auf die Akzeptanz derartiger Maschinen im alltäglichen menschlichen Umfeld haben. Bei dem Humanoiden Roboter ARMAR (Bild 1), dem Demonstratorsystem des SFB 588 Humanoide Roboter ist die Einsatzumgebung die Küche, wobei dieses sukzessive erweitert wird. Hier soll der Roboter dem Menschen helfend zur Seite stehen und alleine oder mit ihm zusammen arbeiten wie zum Beispiel die Spülmaschine ausräumen oder den Tisch decken. Die hieraus resultierende enge, direkte Interaktion von Mensch und Roboter erfordern strenge Sicherheitsanforderungen, um eine Verletzung des Menschen durch den Roboter auszuschließen. Hierzu ist die Messung der vom Roboter ausgeübten Kräfte von entscheidender Bedeutung. Diese können regeltechnische erfasst und geeignete Gegenmaßnahmen schnellstmöglich eingeleitet werden. Ein weiterer Punkt, der eine möglichst präzise Kraft- bzw. Momentmessung bzw. Regelung erforderlich macht ist die angestrebte Nullkraftregelung. Hierbei wird der Roboter vom Menschen geführt, um beispielsweise Bewegungsabläufe zu erlernen, oder den Roboter intuitiv bei Seite bewegen zu können. Bild 1: Humanoide Roboter ARMAR IIIb (links) und ARMAR IIIa (rechts) des SFB 588 Derzeit läuft die Entwicklung der nächsten Robotergeneration ARMAR IV. Anforderungen hierbei sind unter anderem die Erweiterung der Bewegungsfähigkeiten, um der menschlichen Kinematik noch näher zu kommen. Konkret sollen der Kinematik des Roboters weitere Freiheitsgrade hinzugefügt werden. Um den Aktionsradius und die

3 Entwicklung einer integrierten Kraftmessung für Antriebsmodule im Humanoiden Roboter Seite 145 Verfügbarkeit des Systems zu erweitern sollen Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz getroffen werden. So werden unter anderem neue Antriebskonzepte erarbeitet und sämtliche Strukturbauteile gewichtsoptimiert, um den Anforderungen eines erweiterten Einsatzszenarios gerecht zu werden. Hierbei muss das Design weiter auf ein möglichst menschliches Aussehen hin optimiert werden, um die Akzeptanz durch den Menschen zu gewährleisten. Dies erfordert die strikte Einhaltung des menschlichen Bauraums, was aufgrund der Leistungsdichte und der Größe von verfügbaren Aktoren und Sensoren eine große Herausforderung darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklung eines modularen Messsystems zur Bestimmung der vom Roboter in den einzelnen Gelenken ausgeübten und dort eingeleiteten Kräfte vorgestellt. Im Folgenden werden die Begriffe Kraft- und Momentmessung synonym verwendet. 2 Stand der Technik Aufgrund der engen Kooperation von Mensch und Roboter wird in Zukunft in nahezu allen Humanoiden Robotersystemen eine Kraftmessung in jedem Freiheitsgrad zwingend notwendig sein. In vielen Fällen erfolgt dies zurzeit bereits über die Messung durch (kommerzielle) Mehrachskraftmessdosen an einer zentralen Stelle, meist dem Hand- oder Fußgelenk [Hum09-ol]. Dies ist für manche Anwendungen ausreichend, da hiermit die Kräfte direkt an der Stelle der Einleitung gemessen werden können. Funktionen wie die Nullkraftregelung und ein wirksamer Kollisionsschutz können hiermit allerdings nicht realisiert werden. Eine Messung direkt im jeweiligen Gelenk ist somit notwendig. Eine Möglichkeit bietet die Messung des Motorstroms, wobei über die Motorparameter auf die Kraft geschlossen werden kann. Dieses Verfahren ist allerdings in den meisten Fällen zu ungenau. Beim aktuellen Demonstratorsystem des SFB 588, ARMAR III, wird die jeweilige Gelenkkraft indirekt als Zugkraft in gegenläufigen Seilzügen ermittelt [ABO+06]. Eine Integration von Zug-/Druckkraftsensoren direkt im Gelenk ist nicht möglich. Eine Vielzahl unterschiedlicher Sensorsyteme ist kommerziell verfügbar (siehe Bild 2). Diese basieren meist auf Dehnungsmessstreifen (DMS) und weisen eine sehr hohe Genauigkeit auf, während die Möglichkeiten zur Integration aufgrund des benötigten Bauraums dagegen stark begrenzt sind. Berücksichtigt man den zur Verfügung stehenden Bauraum, beispielsweise für den Ellenbogen, so nimmt ein entsprechender kommerzieller Kraftsensor für einen Freiheitsgrad bereits einen Großteil hiervon in Anspruch [HBM09-ol], [Lor09-ol]. Eine Realisierung eines menschenähnlichen Erscheinungsbildes ist somit nahezu unmöglich. Dies macht eine individuelle Gestaltung der Messaufnehmer erforderlich. Weitere Messprinzipien, z.b. PCME- Sensoren (Pulsed Current Modulated Encoding) [NCT09-ol] basierend auf dem physikalischen Prinzip des Magnetismus/Magnetostriktion, sind in anderen Anwendungsbereichen verbreitet. Diese können zwar individuell ins System integriert werden, kom-

4 Seite 146 A. Albers, M. Frietsch, C. Sander, J. Ottnad men allerdings aufgrund des kostenintensiven Fertigungsprozesses bei geringen Stückzahlen nicht für den Einsatz in Humanoiden Robotern in Frage. Bild 2: Auszug von kommerziell erhältlichen Sensoren Die erfolgreiche Nutzung von etablierten Messmethoden, wie z.b. DMS, in Kombination mit einer individuellen Gestaltung ist beispielsweise im Leichtbauroboterarm der DLR [AHO+07] oder im Roboter icub [TMS+07] demonstriert. Das Bild 3 zeigt die Gestaltung eines solchen Sensorelements im Roboter icub. Bild 3: FEM-Berechnung eines Drehmomentmesssystems des Humanoiden Roboters icub des IIT [TMS+07]

5 Entwicklung einer integrierten Kraftmessung für Antriebsmodule im Humanoiden Roboter Seite 147 Beim zukünftige Demonstratorsystem ARMAR IV soll die Kraftmessung direkt am jeweiligen Gelenk erfolgen, um die Qualität der Messung zu verbessern. Desweiteren entfallen in der neuen Generation die Seilzüge zur Kraftübertragung, wodurch ein neues Konzept zur Kraftmessung erforderlich wird. 3 Konzeption Je nach Art der Kraftübertragung bzw. technischen Realisierung einer Antriebseinheit können unterschiedliche Sensortypen zum Einsatz kommen. Aus oben genannten Gründen wird im vorliegenden Fall der Einsatz von DMS in Kombination mit einer individuellen Gestaltung des Messaufnehmers verfolgt. Eine typische Antriebseinheit für einen Freiheitsgrad des Humanoiden Roboters besteht aus einem bürstenlosen Elektromotor und einem spielfreien Harmonic Drive Getriebe. Um eine möglichst optimale Regelbarkeit der Antriebseinheiten zu gewährleisten, muss die Messung der Kraft möglichst nahe am Abtrieb stattfinden. Somit müssen störende Einflüsse durch Reibung in Getriebe oder Lagern nicht separat berücksichtigt werden. Weitere Randbedingungen für die Integration der Kraftmessung sind beispielsweise die Führung der notwendigen Versorgungs- und Datenleitungen über die einzelnen Gelenke hinweg. Bei den Rotationsgelenken wird hier in Anlehnung an die Fluglagensteuerung von bspw. Flugzeugen zw. Roll-, Pitch- und Yaw- (Roll-Nick-Gier-) Gelenken unterschieden. Im Falle von Roll-Gelenken bietet sich die koaxiale Verlegung entlang der Gelenkachse durch eine Hohlwelle an. Hierdurch kann die Beanspruchung (Längenänderung, Biegung, Verdrillung) der Leitungen bei einer Bewegung des Roboters minimiert und störende außen geführte Leitungen (Design, Klemmgefahr, mechanische Beanspruchung der Kabel) vermindert werden. Zusätzlich müssen Sensoren für die Messung der Gelenkwinkel integriert, sowie die oben genannten anspruchsvollen Beschränkungen des Bauraumes eingehalten werden. Da diese Randbedingungen nicht isoliert betrachtet werden können, muss die Auswahl von grundlegenden Sensorkonzepten mit dem Entwurf der mechanischen Strukturen eng verknüpft werden. Im Falle von Yaw- und Pitch-Gelenken wird keine koaxiale Kabelführung benötigt. Zur Messung der ausgeübten bzw. angreifenden Momente in einem Gelenk sind prinzipiell zwei Möglichkeiten denkbar. Wie bereits erwähnt, kann sowohl die Kraft als auch das Moment messtechnisch erfasst werden. So kann einerseits über einen radial angeordneten Hebel die Reaktionskraft des Antriebes ermittelt, andererseits das Moment direkt im Antriebsstrang gemessen werden. Die erste Variante führt zu einem eher in radialer Richtung ausgedehnten Design, die letzte zu einem eher in axialer Richtung ausgedehnten Design. Die Messung der Reaktionskraft macht zudem eine zusätzliche Lagerung notwendig, was mit einem erhöhten konstruktiven Aufwand und mit zusätzlichem Gewicht verbunden ist. Aus diesem Grund und aufgrund der Tatsache, dass in axialer Richtung prinzipiell mehr Bauraum zur Verfügung steht, wird die Messung der Reaktionskraft an dieser Stelle nicht weiter untersucht.

6 Seite 148 A. Albers, M. Frietsch, C. Sander, J. Ottnad Um eine effiziente Entwicklung und Fertigung aber auch Wartung der Systeme zu gewährleisten, wird für den gesamten Roboter ein möglichst modulares Konzept für die Antriebseinheiten, bestehend aus Motor, Getriebe und Sensorik, angestrebt. Eine solche modulare Antriebseinheit muss die notwendige Sensorik zur Messung der ausgeübten Kräfte in möglichst kompakter Weise integrieren. Diese können in ähnlicher Form zum Beispiel im Schulter- und Ellenbogengelenk zum Einsatz kommen. 4 Gestaltung Die Neuentwicklung der Antriebseinheiten ermöglicht eine freie Gestaltung der Messaufnehmer unter den oben genannten Anforderungen und Randbedingungen. Bei der Entwicklung modularer Konzepte sind prinzipiell zwei mechanische Schnittstellen (=Wirkflächenpaare) [AEO09] vorhanden. Sie liegen jeweils vor und hinter dem Messaufnehmer wo das Drehmoment ein- und ausgeleitet wird. Es sind hier grundsätzlich reib-, form- und stoffschlüssige Verbindungen möglich. Aus Gründen der Montierund Wartbarkeit erscheinen stoffschlüssige Verbindungen als ungeeignet. Bei der Gestaltung der DMS-basierten Messaufnehmer ist, neben einer korrekten Dimensionierung bezüglich der maximal auftretenden Vergleichsspannungen, auch auf eine homogene Verteilung der Dehnung auf dem Aufnehmer zu achten. Beim Einsatz gängiger DMS muss die maximale Dehnung im Bereich von 1 mm/m liegen [SW+02], [Hof87]. Um die gewünschte Modularität zu erreichen, muss ein Aufnehmertyp in möglichst vielen Freiheitsgraden (Gelenken) eingesetzt werden können. Für die abweichenden Maximalmomente der verschiedenen Gelenke müssen möglichst wenige unterschiedliche Aufnehmer zum Einsatz kommen. So soll beispielsweise ein für ein Maximalmoment von +/- 20 Nm dimensionierter Sensor auch in einem Gelenk mit einem Maximalmoment von nur +/- 5 Nm eingesetzt werden können. Es müssen somit die unterschiedlichen Genauigkeiten der eingesetzten Messaufnehmer - je nach zulässigem Maximalmoment - beachtet und untersucht werden. Die mechanische Auslegung der Torsionswelle muss hierbei anhand des größten Maximalmomentes erfolgen. Je nach Gelenktyp (Roll, Pitch oder Yaw-Gelenk) sind für die Gestalt unterschiedliche Ausprägungen möglich. Zur Ermittlung der optimalen Gestaltparameter - um einen möglichst minimalen Bauraum einzuhalten - wird versucht den Messaufnehmer im Bereich der Größe des DMS zu gestalten. Hierbei muss angemerkt werden, dass somit die Anforderung eines homogenen Dehnungsfeldes nicht zwangsläufig gegeben sein muss. Vielmehr muss anhand von Simulationsrechnungen und Versuchen ein möglichst günstiger Kompromiss zwischen der Baugröße und der Einhaltung der genannten Anforderungen erzielt werden. Hierbei werden ebenfalls die Applizierbarkeit der Mantelfläche mit DMS und die Herstellungskosten berücksichtig. Gestaltungsparameter sind beispielsweise Länge, Durchmesser oder Übergangsradien. Bei reinen Roll-Gelenken bietet sich, wie zuvor bereits erwähnt, eine Hohlwellenausführung an. Um auch den axial benötigten Bauraum zu minimieren, wird der Aufneh-

7 Entwicklung einer integrierten Kraftmessung für Antriebsmodule im Humanoiden Roboter Seite 149 mer an beiden Enden mit einem Flansch gestaltet. Für dieses Design wurde ein FE- Modell in Abaqus/CAE (Dassault Systèmes) erstellt und sowohl Spannung als auch Dehnung ermittelt. Das Bild 4 zeigt, dass die Materialdehnung im zulässigen Bereich von 1,2 mm/m liegt und entsprechend homogen über der Mantelfläche verläuft. Die auftretenden maximalen Spannungen liegen ebenfalls unterhalb der Versagensgrenzen des Werkstoffes. Die Last wird in diesem Fall über die Stirnflächen der Flanschverbindung flächig eingeleitet. Die Vernetzung ist ähnlich zu der zuvor genannten Vollwelle. Der mittlere Bereich der Welle, der später die Mantelfläche für den DMS repräsentiert, ist mit C3D8R-Elementen gleichmäßig vernetzt. Dies ermöglicht eine qualitativ hochwertige Aussage über die Spannungs- und Dehnungsverteilung in diesem Bereich. Bild 4: Ergebnis der FE-Rechnung des finalen Hohlwellenentwurfs (Vollschnitt) Bei Pitch und Yaw-Gelenken existiert der größte Gestaltungsfreiraum. So wurde ein Aufnehmer basierend auf einer Vollwelle gestaltet, wobei die mechanischen Schnittstellen durch formschlüssige Polygone ausgeführt sind. Dieses Design hat den Vorteil, dass axiale Verspannungen, die z.b. durch Temperatureinwirkung hervorgerufen werden, ausgeglichen werden können. Um die Einhaltung der oben genannten Anforderungen bezüglich der Dehnung und der Vergleichsspannung zu überprüfen, wurde eine FEM- Rechnung durchgeführt. Die Last wurde hierbei auf beiden Seiten über quadratische Flächen auf der Oberfläche eingeleitet, was einer guten Abbildung einer Polygonverbindung entspricht und sehr geringe Versteifungen ins Modell einbringt. Der mittlere Bereich der Welle, der später die Mantelfläche für den DMS repräsentiert, ist mit C3D8R-Elementen gleichmäßig vernetzt. Dies ermöglicht eine qualitativ hochwertige Aussage über die Spannungs- und Dehnungsverteilung in diesem Bereich. Beide liegen in den geforderten Bereichen, wobei wiederum ein homogenes Dehnungsfeld vorliegt (Bild 5). Die maximalen Spannungen liegen ebenfalls im zulässigen Bereich des gewählten Werkstoffes.

8 Seite 150 A. Albers, M. Frietsch, C. Sander, J. Ottnad Bild 5: Ergebnis der FE-Analyse des Vollwellenentwurfs Ein ähnliches Konzept sieht die Verwendung einer Hirthverzahnung anstelle einer Polygonverbindung an einer Wellenseite vor. Zur Validierung der Simulationsergebnisse wird ein Prüfstand eingesetzt, der einen für Humanoide Roboter typischen Antriebstrang nachbildet und den Abgleich mit Standardmesssystemen erlaubt. Der Aufbau des Prüfstandes sowie die Messergebnisse werden im folgenden Kapitel vorgestellt. 5 Validierung 5.1 Prüfstand Das Bild 6 zeigt den eigens für den Abgleich zwischen Simulationsdaten und real gemessenen Werten entwickelten Prüfstand für statische Messungen. Er besteht aus der Drehmomenteinleitung, einem kommerziellen Sensor (Typ: T22 von HBM), der als Referenzsensor verwendet wird und ebenfalls auf DMS-Technik beruht, sowie aus dem Prüfling (DMS-Messwelle). Mit Hilfe dieses Prüfstandes werden unter anderem die Genauigkeiten der aufgebauten Aufnehmer ermittelt, um sicherzustellen, dass die gestellten Anforderungen (z.b. für eine Nullkraftregelung) erfüllt werden. Für dynamische Messungen kann die Krafteinleitung mittels eines Elektromotors erfolgen, was durch eine einfache Modifikation des Prüfstands möglich ist. Somit können auch Bewegungsprofile (Drehzahl- und Drehmomentvariationen über Zeit) durchfahren werden. Dies ermöglicht es den Messaufnehmer in seinem späteren Einsatzbereich zu untersuchen. Hier werden jedoch in einem ersten Schritt ausschließlich quasi-statisch Messungen betrachtet.

9 Entwicklung einer integrierten Kraftmessung für Antriebsmodule im Humanoiden Roboter Seite 151 Drehmomenteinleitung Referenzsensor DMS - Messwelle Bild 6: Drehmomentprüfstand zur Validierung der DMS-Messwelle (Drehmomenteinleitung durch Hebel links) Die eingesetzte Messkette ist in Bild 7 dargestellt. Das Drehmoment wird gleichzeitig von den beiden in Reihe geschalteten Sensoren gemessen. Die Vorverarbeitung der Messsignale erfolgt durch einen ZMD31014 Signal-Conditioner sowie direkt durch ein Digital-Multimeter. Die weitere Verarbeitung erfolgt in Matlab. Bild 7: Schema der Messkette des Drehmomentprüfstands

10 Moment (normiert) Seite 152 A. Albers, M. Frietsch, C. Sander, J. Ottnad 5.2 Messergebnisse Das Bild 8 zeigt den Vergleich der Messergebnisse zwischen dem ersten Entwurf der Torsions (hohl-) welle und dem kommerziellen Referenzsensor. Die beiden Messwerte wurden hierbei auf ein Maximalmoment von +/- 5 Nm normiert. Aufgrund der guten Übereinstimmung der beiden Messsysteme kann von einer homogenen Dehnungsverteilung im relevanten Bereich der Torsionswelle ausgegangen werden. Die Messwerte belegen überdies, dass sich die auftretenden maximalen Dehnungen im elastischen Bereich befinden und die Spannungen somit im zulässigen Bereich liegen. Aus diesem Grund wurde auf einen direkten Vergleich zw. den simulierten und tatsächlichen Dehnungen, mit Hilfe der k-faktoren der eingesetzten DMS, verzichtet. Eine Aussage über die Dauerfestigkeit der Messwelle kann hierdurch jedoch nicht unmittelbar getroffen werden, wobei dies für den Einsatz im Humanoiden Roboterdemonstrator nicht zwingend notwendig ist. 1,2 Vergleich Ref.-sensor und DMS-Aufnehmer 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Zeit RefNorm DMSNorm Bild 8: Vergleich des Drehmomentenverlaufs zw. Referenzsensor mit erstem Entwurf der DMS-Messwelle (seriell angeordnet gemessen) In einem weiteren Schritt wurden iterativ die Abmaße (axiale Länge, Durchmesser, sowie Übergangsradius) des Messaufnehmers reduziert, um ein möglichst geringe Baugröße zu erreichen. Begleitend hierzu wurden jeweils für jedes neue Design entsprechende FE-Analysen durchgeführt um sicherzustellen, dass die zulässigen maximalen Spannungen nicht überschritten werden, sowie deren homogene Verteilung gewährleistet ist. Das Ergebnis des finalen Iterationsschrittes der FE-Analyse ist in Bild 4 zu sehen und vereinigt minimalen Bauraum mit den geforderten Anforderungen. Wie bereits erwähnt wird für die zu entwickelnden Messwellen eine maximale Modularität angestrebt. Um diese zu erreichen muss die Genauigkeit im unteren Drehmomentbereich ausreichen hoch sein, um auch bei geringen mechanischen Dehnungen ein ausreichendes Messsignal zu erhalten. Zur Ermittlung dieser Genauigkeit der entwickelten Messwelle, gerade

11 Spannung [V] Entwicklung einer integrierten Kraftmessung für Antriebsmodule im Humanoiden Roboter Seite 153 in kleinen Drehmomentbereichen, wurden mit Hilfe des beschriebenen Prüfstandes mehrere Versuche durchgeführt. Dabei wurde die Messwelle beginnend bei 0,02 Nm statisch mit Drehmoment beaufschlagt und für mehrere Sekunden die resultierende Ausgangsspannung aufgezeichnet. Anschließend wurde das Drehmoment schrittweise erhöht. Die Ergebnisse der Messwerte und deren linearer Regression sind in Bild 9 für eine auf 37 Nm ausgelegten Messwelle dargestellt. Die maximale Abweichung der Welle im gemessenen Bereich ist mit der kommerziell erhältlicher Messsysteme (typischerweise 0,1% v.e.) vergleichbar. Dies entspricht einer Abweichung von 0,037 Nm über den gesamten Messbereich. In Anbetracht des angestrebten Einsatzszenarios (bpsw. Führen des Roboters durch Berührung mit der Hand) und der damit verbundenen Kräfte, ist dies mehr als ausreichend. Es können somit bereits Kontaktkräfte im Bereich von > 0,8 N (abhängig vom Hebelarm) zuverlässig gemessen werden. Im dargestellten Beispiel kann eine für ein maximales Drehmoment von 37 Nm ausgelegten Welle mit ausreichender Genauigkeit bei Drehmomenten im Bereich bis ca. 0,4 Nm eingesetzt werden. Somit zeigt sich, dass die erreichte Genauigkeit die angestrebte Modularität ermöglicht. Dadurch kann auf die Entwicklung und Konstruktion eigener Messwellen für diesen Einsatzbereich verzichtet und beispielsweise für die Freiheitsgrade der Schulter und des Ellenbogens identische Systeme eingesetzt werden. Kalibrierung 0,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70-0,10-0,20-0,30-0,40-0,50-0,60-0,70-0,80 Moment [Nm] Drehmomentverlauf Linear (Drehmomentverlauf) Bild 9: Ermittelte Kennlinie einer DMS-Messwelle (Auslegung: M max = 37 Nm). Die einzelnen Messungen sind als Rauten dargestellt.

12 Seite 154 A. Albers, M. Frietsch, C. Sander, J. Ottnad 6 Resümee und Ausblick Für die neue Generation des Humanoiden Roboters ARMAR wurde eine modulares Messystem zur Ermittlung der ausgeübten und eingeleiteten Momente entwickelt. Ziel war es hierbei ein System von möglichst geringer Baugröße bei gleichzeitiger Erfüllung der notwendigen Genauigkeitsanforderungen für verschiedene Gelenke des zu Roboters erarbeiten. Durch einen iterativen Prozess, bestehend aus FEM-Berechnungen und Tests der realen Aufnehmer, konnte die axiale Länge auf eine Länge von 21 mm reduziert werden. Dies entspricht einer axialen Verkürzung um 50 % im Vergleich zum Ursprungsdesign und um 70 % im Vergleich zum kommerziellen Sensor. Eine weitere Verkürzung ist aufgrund der Größe der DMS und der damit verbundenen Begrenzung bei manueller Applikation nicht möglich. Dies entspricht einer Reduzierung des Bauvolumens im Gegensatz zum kommerziellen Sensor von etwa 95 % bei vergleichbarer Genauigkeit. Die Masse konnte hierbei um 88 % (von 130 g auf 15 g) reduziert werden. Die angestrebte Modularität wurde beispielhaft für eine Messwelle mit 37 Nm Maximalmoment gezeigt. Zurzeit wird die Modularität von Messwellen mit größerem Maximalmoment (> 50 Nm) wie sie beispielsweise in den Beingelenken auftreten untersucht. Die ebenfalls vorgestellte Variante der Vollwelle als Messaufnehmer wird derzeit untersucht. Aufgrund der Erfahrungen bei der Untersuchung der Hohlwellen- Aufnehmer, ist eine ähnlich gute Übereinstimmung zwischen FE-Simulation und realem Aufnehmer zu erwarten. Diese Ergebnisse bilden die Basis für die weitere Entwicklung der Antriebseinheiten der neuen Generation des Humanoiden Robotersystems ARMAR. Literatur [ABO+06] [AEO09] [AHO+07] ALBERS A.; BRUDNIOK S.; OTTNAD J.; SAUTER CH.; SEDCHAICHARN K.: Upper Body of a new Humanoid Robot the Design of Armar III, Humanoids IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, 4. bis 6. Dezember, Genua, Italien, 2006 ALBERS A.; ENKLER H.-G.; OTTNAD J.: Die Herausforderung komplexer Simulationsprozesse Ein methodischer Ansatz mit dem generalisierten Contact and Channel Model, 6. Paderborner Workshop "Entwurf mechatronischer Systeme", Paderborn, 2009 ALBU-SCHÄFFER, A.; HADDADIN, S.; OTT, CH.; STEMMER, A.; WIMBÖCK, T.; HIRZINGER, G.: The DLR lightweight robot: design and control concepts for robots in human environments, Industrial Robot: An International Journal, Vol. 34 No. 5, 2007 [HBM09-ol] Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH: Produktkatalog. unter: categorie/torque/product/t20wn/backpid/torque-transducer-and-torque-sensors/. 17. November 2009 [Hof87] HOFFMANN, K.; Eine Einführung in die Technik des Messens mit Dehnungsmessstreifen. Druckerei Drach Pfungstadt, 1987, ASIN: B001ALAP1W [Hum09-ol] Humanoid Robot Research Lab: Specification of Albert Hubo. unter: November 2009 [Lor09-ol] Lorenz Mestechnik GmbH: Produktkatalog. unter:, deutsch/produkte/drehmoment_rotierend_schleifring.php, 17. November 2009

13 Entwicklung einer integrierten Kraftmessung für Antriebsmodule im Humanoiden Roboter Seite 155 [NCT09-ol] NCTEngineering GmbH: Drehmoment Design & Dimensionen. unter: November 2009 [SW+02] [TMS+07] SCHICKER, R.; WEGENER, G.; Measuring Torque correctly. Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Auflage 1, Dezember 2002, ISBN: TSAGARAKIS N. G.; METTA G.; SAMDINI G.; VERNON D.; BEIRA R.; BECCHI F.; RIGHETTI L.; SANTOS-VICTOR L., IJSPEERT A.J.; CARROZZA M. C. AND CALDWELL D. G.: icub: the design and realization of an open humanoid platform for cognitive and neuroscience research. Advanced Robotics, Vol. 21, No. 10, 2007, pp Autoren o. Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Albert Albers, Jahrgang 1957, ist seit 1996 Ordinarius und Leiter des Institutes für Produktentwicklung der Universität Karlsruhe (TH). Er promovierte 1987 am Institut für Maschinenelemente, Konstruktionstechnik und Sicherheitstechnik der Universität Hannover bei Prof. Paland. In seiner Industrietätigkeit bei einem namhaften deutschen Unternehmen der Automobilzulieferindustrie war Dr. Albers zunächst verantwortlich für die Abteilungen Simulation, Versuch und Prototypenbau für Kupplungssysteme und Torsionsschwingungsdämpfer. Als Entwicklungsleiter Kupplungssysteme und stellvertretendes Mitglied der Geschäftsleitung hat er dann die gesamte Produktentwicklung einschließlich der Entwicklungsprozesse mit rund 200 Mitarbeitern geleitet. Prof. Albers ist im KIT (Karlsruher Institut für Technologie) Sprecher des SFB 483 Sonderforschungsbereich Keramik sowie Projektleiter und Mitglied des Kollegiums in den Sonderforschungsbereichen SFB 588 Lernende und kooperierende Humanoide Roboter und SFB 499 Entwicklung, Produktion und Qualitätssicherung urgeformter Mikrobauteile aus metallischen und keramischen Werkstoffen. Über die Universitätsgrenzen hinaus engagiert er sich u.a. als Mitglied des Fachbeirates Konstruktion im EKV des VDI, als Mitglied im Vorstand der wissenschaftlichen Gesellschaft für Maschinenelemente und Konstruktionsforschung (WGMK) sowie als Mitglied des Berliner Kreises - wissenschaftliches Forum für Produktentwicklung e.v. Im Januar 2005 wurde er zum 1. Vizepräsidenten des Allgemeinen Fakultätentages AFT gewählt. Als Wissenschaftlicher Beirat der Freudenberg New Technology KG setzt sich Professor Albers für die Umsetzung aktueller Forschungsergebnisse in die industrielle Praxis ein. Dipl.- Ing. Markus Frietsch Jahrgang 1979, ist seit 2007 Mitarbeiter am Institut für Produktentwicklung der Universität Karlsruhe (TH). Von 2000 an studierte er an der Berufsakademie Karlsruhe Mechatronik und nach seinem Diplom (BA) an der Universität Karlsruhe mit der Vertiefung Mechatronik & Mikrosystemrechnik. Als akademischer Mitarbeiter ist er Mitglied im Sonderforschungsbereich SFB 588 Lernende und

14 Seite 156 A. Albers, M. Frietsch, C. Sander, J. Ottnad kooperierende Humanoide Roboter. In dieser Position arbeitet Markus Frietsch im Team für die Entwicklung und den Aufbau der humanoiden Roboter ARMAR. Dipl.- Ing. Christian Sander Jahrgang 1984, ist seit 2009 Mitarbeiter am Institut für Produktentwicklung der Universität Karlsruhe (TH). Von 2003 an studierte er an der Universität Karlsruhe Maschinenbau mit der Vertiefung Produktentwicklung & Konstruktion. Als akademischer Mitarbeiter ist er Mitglied im Sonderforschungsbereich SFB 588 Lernende und kooperierende Humanoide Roboter. In dieser Position arbeitet Christian Sander im Team für die Entwicklung und den Aufbau der humanoiden Roboter ARMAR. Dipl.-Ing. Jens Ottnad, Jahrgang 1978, ist seit 2004 Mitarbeiter am Institut für Produktentwicklung der Universität Karlsruhe (TH). Von 1999 an studierte er an der Universität Karlsruhe Maschinenbau mit der Vertiefung Produktentwicklung & Konstruktion. Als akademischer Mitarbeiter ist er Mitglied im Sonderforschungsbereich SFB 588 Lernende und kooperierende Humanoide Roboter. In dieser Position arbeitet Jens Ottnad im Team für die Entwicklung und den Aufbau der humanoiden Roboter ARMAR. Als Mitglied der Forschungsgruppe CAE/Optimierung am IPEK forscht er an neuen Methoden zur Strukturoptimierung in dynamischen geregelten Systemen.