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Kenshiro – sehnengesteuerter und lebensechter Roboter : Ausgabe 21/2014, 20.11.2014

Roboter werden immer «menschlicher»

Der von der Universität Tokyo ins Leben gerufene sehnengesteuerte humanoide Roboter verfügt über 160 künstliche Muskeln. Er ist das Ergebnis jahrelanger Forschung am JSK Robotics Laboratory. Rund 100 bürstenlose maxon-Motoren in dem nur 1,58 m grossen und 50 kg schweren Roboter sorgen für menschenähnliche Bewegungen.

Die University of Tokyo hat einen sehnengesteuerten humanoiden Roboter entwickelt, der menschliche Bewegungen besonders lebensecht nachahmen kann. Er nennt sich Kenshiro – ein Name, der in Japan vor allem durch einen Helden in einer bekannten Manga-Comic-Serie aus den 80er-Jahren bekannt ist. Die japanischen Wissenschaftler haben sich bei der Entwicklung des Roboters an der menschlichen Anatomie orientiert, um einen möglichst natürlich wirkenden künstlichen Menschen zu erzeugen.

Kenshiro verfügt über die wichtigsten menschlichen Muskeln

«Wir wollten die menschlichen Bewegungen und das Aussehen verstehen und mit Ken-shiro möglichst genau wiedergeben», erklärt Prof. Kei Okada. Der Roboter entspricht mit einer Grösse von 1,58 m und einem Gewicht von 50 kg einem zwölf Jahre alten japanischen Jungen. Um der menschlichen Anatomie so nah wie möglich zu kommen, verfügt Kenshiro über die wichtigsten menschlichen Muskeln: 50 in den Beinen, 76 im Torso, 12 in der Schulter und 22 im Hals. Damit verfügt der Roboter über die grösste Anzahl an Muskeln, die jemals in einem humanoiden Roboter verbaut wurden.

Zum Vergleich: Ein Mensch hat mit rund 640 Muskeln eine sehr komplexe Anatomie. Durch die 160 einzeln sehnengesteuerten «Muskeln» von Kenshiro sind sehr viele menschenähnliche Bewegungsmuster machbar, allerdings noch längst nicht alle, denn die biologischen Bewegungsmuster eines Menschen sind hochkomplex. So kann Kenshiro seine Arme, Beine und den Oberkörper bewegen. Das richtige Laufen muss er erst noch lernen. Doch wie lernt der Roboter eigentlich die menschenähnlichen Bewegungen? Ganz einfach, man macht ihm eine Bewegung vor und er imitiert sie dann.

Knochen bestehen aus Aluminium

Eine einfache Lernmethode, die mithilfe einer Open-Source-Intelligent-Software und einer mechanischen Schnittstelle umgesetzt wird. Beim Erlernen des Laufens gehört jedoch noch mehr dazu. Die «Knochen» von Ken- shiro sind aus Aluminium gefertigt und ähnlich wie beim Menschen beweglich miteinander verbunden. Das Gewicht von 50 kg stellt die Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Masayuki Inaba bisher vor die grössten Herausforderungen. Denn ein Nachbau in ausgewachsener Grösse würde es etwa auf 100 kg bringen, das bedeutet mehr Be- lastung, höheren Energieaufwand und lang-samere Bewegungen.

93 Motoren für 160 Muskeln

Die Forscher des Jouhou System Kougaku Laboratoy (JSK) der Universität Tokyo haben sich beim Antriebssystem für maxon motor entschieden. 93 maxon EC-Motoren (BLDC) kontrahieren die 160 künstlichen Muskeln von Kenshiro. Wobei bei der Kontraktion von speziellen Muskeln, wie beispielsweise bei den Bauch- und Brustmuskeln, nur ein Motor für den Antrieb sorgt. Dafür werden die bürstenlosen Motoren EC 16 und EC 22 verwendet. Die elektronisch kommutierten Servomotoren zeichnen sich speziell durch ein günstiges Drehmomentverhalten, hohe Dynamik, einen extrem grossen Drehzahlbereich und ihre hohe Lebensdauer aus.

Für die Kontraktion der Muskeln sind starke BLDC-Motoren erforderlich, deshalb verfügen die verwendeten maxon-Motoren über Leistungen von 60 bis 100 W. Ein wichtiges Argument für die Motorwahl war auch die Temperaturentwicklung des Motors. Denn eine Kühlung im Roboter ist nicht möglich, deshalb ist es laut Prof. Kei Okada sehr wichtig, dass die Motoren sehr wenig Wärme entwickeln.

Eigenschaften der EC-Motoren

  • bürstenloser Gleichstrommotor
  • hohe Lebensdauer
  • hoher Wirkungsgrad
  • lineare Kennlinien
  • sehr gute Regeleigenschaften
  • feststehende eisenlose Wicklung, System maxon mit drei Phasen
  • sehr kleine elektrische Zeitkonstante und geringe Induktivität
  • ohne Rastmoment
  • gute Wärmeabfuhr, hohe Überlastbarkeit
  • rotierender Permanentmagnet aus Neodym mit ein oder zwei Polpaaren
  • leistungsoptimiert, mit hohen Drehzahlen bis 100 000 min–1
  • robustes Design
  • diverse Varianten, wie z.B. kurz/lang, steri- lisierbar
  • extrem geringe Restunwucht

JSK hat lange Erfahrung und Tradition im Roboterbau

Das JSK baut bereits seit 1980 verschiedene Roboter – angefangen von verschiedenen Servicerobotern, Industrierobotern bis hin zu den menschenähnlichen Robotern wie den Kenshiro. Genau wie seine Vorgänger Kenta, Kotaro, Kojiro, Kenzoh hat er das Ziel, den menschlichen Körper so exakt wie möglich zu kopieren. Dazu ist jedoch auch ein menschenähnliches Aussehen erforderlich. Deshalb arbeiten die japanischen Wissenschaftler derzeit an der Entwicklung von einer Haut für den Roboter. In naher Zukunft soll Kenshiro auch mit seiner Umwelt noch aktiver interagieren können. Nächstes Ziel ist es, dass Kenshiro länger und stabil laufen kann.

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maxon motor ag
Brünigstrasse 220, 6072 Sachseln
Tel. 041 666 15 00, Fax 041 666 16 50
info@maxonmotor.com, www.maxonmotor.com
Halle 1, Stand 100



93 maxon-EC-Motoren (BLDC) kontrahieren die 160 künstlichen Muskeln des humanoiden Roboters Kenshiro


Prof. Kei Okada mit Kenshiro bei einem Besuch der maxon motor ag in Sachseln


Der bürstenlose EC-Motor EC 22 mit eisenloser Wicklung, System maxon, im Detail

➊  Flansch
➋  Gehäuse
➌  Statorpaket
➍  Wicklung
➎  Permanent- magnet
➏  Welle
➐  Auswucht- scheiben
➑  Print mit Hall-Sensoren
➓  Kugellager