DER KONSTRUKTEUR 6/2016

SPECIAL I ROBOTIK
Montage sowie bei der Festlegung der
Schnittstellen, wodurch das Einbaumaß
reduziert und eine hohe Systemintegration
erreicht werden konnte.
Sechs leistungsstarke
Antriebseinheiten
Das VariLeg Exoskelett verfügt über zwei
Freiheitsgrade pro Bein, in Hüfte und Knie.
Diese werden von sechs leistungsstarken
Antriebseinheiten bestehend aus jeweils
einem Maxon EC90 Flat Motor und einer
Unit der Getriebe-Baureihe SHD der
Harmonic Drive AG angetrieben. Die obere
Antriebseinheit bewegt das Hüftgelenk.
Die mittleren Antriebe im linken und rechten
Kniegelenk steuern die Federvorspannung
der Knieantriebe, die unteren Antriebe
regulieren hingegen die Gleichgewichtsposition
des Kniegelenks. Mit dem Zusammenspiel
dieser zwei Aktuatoren kann die
Impedanz im Kniegelenk dynamisch
variiert werden.
Die Bewegungsabläufe werden von
einem high level Regler bestehend aus einer
Statemachine und einem Trajektoriengenerator
geplant und anschließend von drei
low level PID Reglern gefolgt. Die Hardware
ist im Master-Slave Prinzip aufgebaut. Die
höchste Ebene der Regelung übernimmt
ein Tablet PC. Dieser kommuniziert mit
ARM Boards, die für die untergeordnete
Die Getriebe erfüllen die Forderungen nach hohem
Drehmoment und hoher Übersetzung bei kleinem Bauvolumen
Regelungsebene zuständig sind und jeweils
zwei Motoren ansteuern.
Kernelement des VariLeg Exoskeletts ist
das Kniegelenk. Dieses ist nicht direkt mit
dem Getriebe verbunden, sondern verfügt
über einen sogenannten SEA (serial elastic
actuator), dessen Steifigkeit verstellt werden
kann, wodurch ein VSA (variable stiffness
actuator) entsteht. Das dahinter
liegende Prinzip heißt Maccepa (mechanical
adjustable compliance and controllable
equilibrium position actuator) und wurde
an der Freien Universität Brüssel entwickelt.
Der Maccepa besteht im Wesentlichen
aus einer Feder und zwei Antriebseinheiten.
Die obere Antriebseinheit
spannt die Feder vor, um die gewünschte
Steifigkeit zu erreichen, während der untere
Antrieb für die Auslenkung des Unterschenkels
zuständig ist. Diese variable Steifigkeit
ermöglicht es dem System, intrinsisch
auf kleine Störungen wie Unebenheiten
zu reagieren, was das VariLeg Exoskelett
von anderen bereits existierenden Exoskeletten
unterscheidet.
Getriebe für den
menschlichen Gang
Die Anforderungen an das Exoskelett ergaben
sich aus den Kräften und Geschwindigkeiten,
die benötigt werden, um den
menschlichen Gang zu imitieren. Dabei
STATEMENT
Dr. Michael Döppert, Chefredakteur
Für neue Anwendungen und für
deren vielleicht auch bisher so
nicht da gewesenen Anforderungen
an die Konstruktion müssen
nicht zwangsläufig neue Maschinenelemente
entwickelt werden.
Gerade wenn – wie im Fall der
Harmonic Drive Getriebe – deren
Kombination von Eigenschaften
so viele Ansätze für Kinematikkonstruktionen
bietet.
sollte die Kinematik des Gesamtsystems,
also Pilot und Exoskelett, durch große
Massen nicht zu stark beeinflusst werden
oder weit abstehende Teile die Benutzerfreundlichkeit
übermäßig einschränken.
Der Maccepa-Mechanismus begrenzte zusätzlich
den verfügbaren Bauraum. All
diesen Anforderungen konnten lediglich
Harmonic Drive Getriebe gerecht werden.
Das Harmonic Drive Getriebe gehört zur
Gruppe der Wellgetriebe. Bestehend aus
den drei Komponenten Wave Generator,
Flexspline und Circular Spline vereint
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