Anwendungsfälle von Robotermotoren in komplexen Umgebungen: Von der Luft- und Raumfahrt über extraterrestrische Anwendungen bis hin zum langfristigen

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Robotertechnologie bewegen sich Roboter zunehmend von traditionellen strukturierten Umgebungen wie der industriellen Fertigung und der Lagerlogistik hin zu komplexeren und offeneren Anwendungsszenarien.

In der Vergangenheit wurden Roboter hauptsächlich in industriellen Produktionslinien eingesetzt, in denen die Umgebung stabil und die Aufgaben klar definiert waren. Heute übernehmen Roboter zunehmend komplexere Aufgaben, darunter:

• Erkundung des Weltraums und extraterrestrische Exploration

• Inspektion in Außen- und Naturumgebungen

• Arbeiten in gefährlichen Bereichen

• Inspektion in beengten Räumen

• Langfristiger autonomer Betrieb

Im Gegensatz zu herkömmlichen industriellen Anwendungen mit stabilen Umgebungsbedingungen und festen Aufgaben sind komplexe Umgebungen häufig mit Herausforderungen wie extremen Temperaturen, unregelmäßigem Gelände, hohen Stoßbelastungen, begrenztem Installationsraum und lang andauerndem Dauerbetrieb verbunden. Dadurch entstehen auch höhere Anforderungen an die Antriebssysteme von Robotern.

Als zentrale Komponenten des Bewegungssystems eines Roboters beeinflussen Motoren und Aktuatoren direkt die Bewegungsleistung und die Fähigkeit zur Aufgabenerfüllung. Faktoren wie Drehmomentdichte, dynamische Reaktionsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Effizienz und Steuerungsfähigkeit spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Unterschiedliche Einsatzumgebungen stellen unterschiedliche Anforderungen an Roboterantriebssysteme. Beispielsweise müssen vierbeinige Roboter komplexes Gelände und plötzliche Stoßbelastungen bewältigen, während Weltraumroboter den Fokus auf präzise Bewegungen und langfristige Zuverlässigkeit legen. Langzeit-Inspektionsroboter müssen hingegen gleichzeitig Effizienz, Lebensdauer und stabilen Betrieb gewährleisten.

Aufgrund dieser Unterschiede werden in diesem Artikel die Anwendungen von Robotern in komplexen Umgebungen in fünf typische Szenarien eingeteilt. Anhand praktischer Anwendungsfälle werden die Eigenschaften von Robotern, die Anforderungen an Antriebssysteme sowie die wichtigsten Auswahlkriterien für Motoren und Aktuatoren unter verschiedenen Bedingungen analysiert.

Welche typischen Anwendungen gibt es für Roboter in komplexen Umgebungen?

Der Begriff „komplexe Umgebung“ umfasst ein breites Anwendungsspektrum – von der Luft- und Raumfahrt sowie extraterrestrischen Exploration über industrielle Außenanwendungen bis hin zu gefährlichen Einsatzbereichen und langfristig unbeaufsichtigtem Betrieb. Die Umweltbedingungen und Aufgabenanforderungen unterscheiden sich je nach Szenario deutlich.

Die folgenden fünf Kategorien repräsentieren typische Einsatzrichtungen moderner Roboter in komplexen Umgebungen.

In diesen komplexen Umgebungen müssen Roboter nicht nur Bewegungsaufgaben erfüllen, sondern gleichzeitig folgende Herausforderungen bewältigen:

• Extreme Temperaturschwankungen

• Unregelmäßiges Gelände

• Hohe Stoßbelastungen

• Langfristiger kontinuierlicher Betrieb

• Begrenzte Einbauräume

• Anforderungen an eine hochpräzise Bewegungssteuerung

Im Folgenden werden diese fünf Anwendungsszenarien detailliert betrachtet. Dabei werden die jeweiligen Umweltbedingungen, Aufgabenanforderungen sowie die daraus resultierenden Anforderungen an Antriebssysteme analysiert.

Anwendungen von Robotern in Luft- und Raumfahrt, extraterrestrischen sowie extremen Umgebungen

Umgebungsmerkmale

Die Luft- und Raumfahrt, extraterrestrische Einsatzbereiche sowie extreme Umgebungen gehören zu den technisch anspruchsvollsten Anwendungen für Roboter.

Im Vergleich zu gewöhnlichen terrestrischen Umgebungen weisen diese Szenarien besondere physikalische Bedingungen auf, darunter:

• Vakuumumgebung

• Mikrogravitation oder geringe Schwerkraft

• Extreme Temperaturschwankungen

• Komplexe Oberflächenbedingungen

• Langfristiger Betrieb ohne Wartungsmöglichkeit

Typische Einsatzumgebungen umfassen:

• Mondoberflächen

• Marsoberflächen

• Raumstationen

• Außenbereiche von Raumfahrzeugen

• Polare Regionen

• Hochtemperatur-Industrieumgebungen

Da Roboter nach dem Einsatz in diesen Umgebungen normalerweise nur schwer gewartet werden können, müssen die Antriebssysteme eine langfristig stabile Betriebsfähigkeit gewährleisten.

Typische Roboteranwendungen

Extraterrestrische Erkundungsroboter

Extraterrestrische Erkundungsroboter werden hauptsächlich eingesetzt für:

• Fortbewegung auf Oberflächen

• Geländeanalyse

• Umweltüberwachung

• Probensammlung

Aufgrund komplexer Geländeformen und unbekannter Hindernisse müssen diese Roboter über eine hohe Bewegungsanpassungsfähigkeit verfügen.

Raumfahrt-Roboterarme

Raumfahrt-Roboterarme werden häufig eingesetzt für:

• Wartung von Raumfahrtsystemen

• Installation von Komponenten

• Transport von Objekten

• Präzisionsoperationen

Die Gelenke der Roboterarme müssen gleichzeitig hohe Positioniergenauigkeit und langfristige Zuverlässigkeit gewährleisten.

Inspektionsroboter für extreme Umgebungen

In Hochtemperatur-, Niedrigtemperatur- oder gefährlichen Industrieumgebungen können Roboter Aufgaben übernehmen wie:

• Anlageninspektion

• Zustandsüberwachung

• Datenerfassung

Dadurch wird das Risiko reduziert, dass Menschen gefährliche Bereiche betreten müssen.

Wichtige Anforderungen an Motoren und Aktuatoren

Hohe Drehmomentdichte

Da Roboter durch Gewicht und Energieversorgung begrenzt sind, müssen sie eine höhere Ausgangsleistung bei möglichst geringem Gewicht erreichen.Eine hohe Drehmomentdichte ermöglicht:

• Reduzierung des Gesamtgewichts

• Erhöhung der Nutzlastfähigkeit

• Optimierung der Energienutzung

Niedrige Massenträgheit

Aktuatoren mit geringer Massenträgheit können die Reaktionsgeschwindigkeit von Roboter-Gelenken verbessern.Dies ist besonders wichtig für:

• Roboterarme

• Präzisionsmechanismen

• Hochdynamische Robotersysteme

Eine geringe Massenträgheit verbessert die Regelungsleistung und Bewegungspräzision.

Hohe Zuverlässigkeit

Da Wartungen bei Robotern in extremen Umgebungen schwierig sind, müssen Antriebssysteme folgende Eigenschaften besitzen:

• Lange Lebensdauer

• Stabiler Betrieb

• Hohe mechanische Zuverlässigkeit

Präzise Steuerungsfähigkeit

Weltraumoperationen und Präzisionsaufgaben erfordern:

• Hohe Positionsgenauigkeit

• Stabile Drehmomentabgabe

• Gute Bewegungsregelung

Wärmemanagement

Extreme Temperaturen können beeinflussen:

• Motorwicklungen

• Lager

• Elektronische Komponenten

Daher müssen Temperaturanstiegskontrolle und Wärmeableitung umfassend berücksichtigt werden.

Anwendungsfall

Link zum Anwendungsfall：Ein springender Roboter für die Erforschung von Lavahöhlen auf dem Mars

Mit der zunehmenden Erforschung des Mars gewinnt das wissenschaftliche Interesse an Lavaröhren als potenzielle Ressourcen- und Lebensräume immer mehr an Bedeutung. Diese komplexen und großflächigen unterirdischen Strukturen stellen jedoch eine große Herausforderung für herkömmliche Explorationstechnologien dar.

Der speziell für die Erforschung von Mars-Lavaröhren entwickelte Sprungroboter verfolgt als zentrales Designziel eine Fortbewegung durch Springen und kombiniert diese Fähigkeit gleichzeitig mit einer Gehfunktion, um komplexes Gelände und extreme Umweltbedingungen bewältigen zu können.

Der Roboter verwendet eine 5-Stab-Parallelmechanik als Beinstruktur, um die vertikale Sprungfähigkeit unter den Bedingungen der geringen Marsgravitation zu optimieren. Das Design legt besonderen Wert auf ein effizientes Antriebssystem und eine leichte Konstruktion. Gleichzeitig wurden ein federunterstütztes Sprungsystem sowie ein Energierückgewinnungssystem integriert, um kontinuierliche Sprungbewegungen zu ermöglichen.

Im Bereich des Antriebssystems verwendet der Roboter den Roboteraktuator CubeMars AK70-10 KV100 als Antriebseinheit für die parallele Beinmechanik. Dieses Modell erreicht ein Spitzendrehmoment von 24,8 Nm und verfügt über eine 10:1-Planetengetriebestruktur, wodurch es die Gelenkbewegungen während Sprung- und Gehbewegungen unterstützen kann.

Der Aktuator verfügt über einen integrierten Encoder und unterstützt eine 1-MHz-CAN-Bus-Kommunikation, wodurch eine präzise Bewegungssteuerung und eine einfache Systemintegration ermöglicht werden.

Durch die Kombination des AK70-10 KV100 Aktuators mit einer leichten Parallelbeinstruktur, einem federunterstützten Sprungsystem und einem Energierückgewinnungsdesign erreicht der Roboter eine ausgewogene Kombination aus erforderlicher Antriebskraft und optimierter Gesamtstruktur.

Dieser Anwendungsfall zeigt auch, dass bei der Auswahl von Motoren für extraterrestrische Erkundungsroboter mehrere Faktoren berücksichtigt werden müssen, darunter:

• Spitzendrehmoment

• Getriebestruktur

• Gewicht

• Steuerungsschnittstellen

• Energiebegrenzungen

Weitere Anwendungsbeispiele：CubeMars unterstützt das Mars-Rover-Team der Binghamton University beim URC

Anwendungen von Robotern in rauen Außenbereichen und unstrukturierten Umgebungen

Umgebungsmerkmale

Außenumgebungen sind im Vergleich zu industriellen Umgebungen deutlich komplexer. Das wichtigste Merkmal ist die hohe Unsicherheit der Umgebung.

Roboter können dort auf folgende Bedingungen treffen:

• Bergregionen

• Wüsten

• Gobi-Regionen

• Wälder

• Schneegebiete

• Schlammige Böden

• Geröllflächen

In diesen Umgebungen existieren normalerweise keine festen Fahrwege. Roboter müssen ihren Bewegungszustand entsprechend der aktuellen Umgebung in Echtzeit anpassen.

Typische Roboteranwendungen

Vierbeinige Roboter

Vierbeinige Roboter nutzen die koordinierte Bewegung mehrerer Gelenke, um folgende Fähigkeiten zu erreichen:

• Gehen

• Laufen

• Hindernisüberwindung

• Steigungen bewältigen

Ihre Beinantriebe müssen die Ausgangsleistung kontinuierlich anpassen, um die Körperstabilität aufrechtzuerhalten.

Outdoor-Inspektionsroboter

Typische Anwendungen umfassen:

• Inspektion von Energieanlagen

• Überprüfung von Rohrleitungen

• Überwachung von Außenumgebungen

• Kontrolle von Infrastrukturen

Autonome Transportroboter

Einsatzbereiche:

• Outdoor-Logistik

• Materialtransport in speziellen Einsatzgebieten

• Unbemannte Arbeitsplattformen

Wichtige Anforderungen an Motoren und Aktuatoren

Hohes Spitzendrehmoment

Roboter benötigen in folgenden Situationen eine hohe kurzfristige Ausgangsleistung:

• Überwindung von Hindernissen

• Bergauffahrten

• Wiederherstellung der Körperhaltung

• Schnelles Anfahren

Schnelle dynamische Reaktion

Besonders bei Beinrobotern müssen Aktuatoren schnell reagieren können auf:

• Bewegungssteuerbefehle

• Veränderungen des Bodens

• Anpassungen der Körperhaltung

Stoßfestigkeit

Komplexes Gelände kann verursachen:

• Kollisionen

• Stürze

• Plötzliche Laständerungen

Daher müssen Antriebssysteme eine hohe mechanische Belastbarkeit besitzen.

Hohe Effizienz

Outdoor-Roboter werden normalerweise mit Batterien betrieben. Eine hohe Antriebseffizienz ermöglicht:

• Verlängerung der Betriebsdauer

• Reduzierung des Energieverbrauchs

Anwendungsfall

Link zum Anwendungsfall：CubeMars unterstützt die Entwicklung des landwirtschaftlichen Quadruped-Roboters der University of Minnesota

Mit der rasanten Entwicklung der Präzisionslandwirtschaft ist die Erfassung umfassender und hochpräziser Daten über das Pflanzenwachstum zu einer zentralen Herausforderung geworden.

Eine bahnbrechende Entwicklung des Robotiklabors für Agrartechnik der University of Minnesota ist ein speziell für komplexe landwirtschaftliche Umgebungen entwickelter vierbeiniger Agrarroboter.

Dieser Roboter nutzt den CubeMars AK70-10 Gelenkmotor als zentrale Antriebseinheit. Er überwindet die physikalischen Einschränkungen herkömmlicher Drohnen und fahrzeugbasierter Landmaschinen und kann tief in dicht bewachsene Maisfelder eindringen.

Dort ermöglicht er unterhalb der Pflanzenkrone eine präzise Datenerfassung zur Erkennung von Krankheiten und zur Analyse der Nährstoffversorgung. 

Dadurch ergänzt er moderne intelligente Landwirtschaftssysteme um eine wichtige Fähigkeit zur dreidimensionalen Feldinspektion.

Weitere Anwendungsbeispiele：Kemba: Ein vierbeiniger Roboter, der Kraft und präzise Steuerung kombiniert

Anwendungen von Robotern in gefährlichen und speziellen Einsatzumgebungen

Umgebungsmerkmale

Einige Arbeitsumgebungen weisen hohe Risiken auf und sind für den direkten Zugang durch Menschen ungeeignet.Typische Umgebungen sind:

• Katastrophengebiete

• Feuerwehreinsatzbereiche

• Nuklearanlagen

• Chemische Industrieanlagen

• Hochrisiko-Industrieumgebungen

Roboter können Menschen bei Inspektionen, Rettungseinsätzen und speziellen Arbeitsaufgaben ersetzen und dadurch die Arbeitssicherheit verbessern.

Typische Roboteranwendungen

Such- und Rettungsroboter

Hauptaufgaben:

• Suche in Katastrophengebieten

• Umweltüberwachung

• Transport von Materialien

Inspektionsroboter für Gefahrenbereiche

Anwendungen:

• Prüfung von Industrieanlagen

• Zustandsüberwachung

• Automatische Inspektionen

Spezialroboter für operative Aufgaben

Dazu gehören:

• Ferngesteuerte Arbeitsplattformen

• Roboter für spezielle Einsatzumgebungen

Wichtige Anforderungen an Motoren und Aktuatoren

Hohe Zuverlässigkeit

Roboter müssen auch unter komplexen Umgebungsbedingungen kontinuierlich und zuverlässig Aufgaben ausführen können.

Stoßfestigkeit

Bei Kollisionen oder plötzlichen Laständerungen muss das Antriebssystem weiterhin eine stabile Bewegungsfähigkeit gewährleisten.

Präzise Bewegungssteuerung

Für Roboterarme und Manipulationssysteme ist eine präzise Bewegungssteuerung erforderlich, um genaue Arbeitsabläufe durchführen zu können.

Fähigkeit für langfristigen Betrieb

Einige Aufgaben dauern über lange Zeiträume an. Daher müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Temperaturanstieg

• Energieeffizienz

• Lebensdauer

Anwendungsfall

Link zum Anwendungsfall：Gorilla Mk1-Roboter: Mit CubeMars-Motoren ausgestattet, neue Durchbrüche bei Höhenarbeiten

Im Bereich der Arbeiten an Hochspannungsübertragungsleitungen in Australien bietet ein Roboter namens Gorilla Mk1 durch fortschrittliche Technologie und ein präzises Antriebssystem eine bisher unerreichte Sicherheit und Effizienz bei Wartungs- und Inspektionsarbeiten an Hochspannungsleitungen.

Eine wichtige Kernkomponente seines Antriebssystems ist der rahmenlose Drehmomentmotor CubeMars RI80 V2.0.

Der Roboter Gorilla Mk1 ist mit vier CubeMars RI80 V2.0 Innenläufer-Rahmenlos-Drehmomentmotoren ausgestattet. Die hohe Präzision und hohe Leistungsfähigkeit dieser Motoren ermöglichen es dem Roboter, sich stabil und sicher auf Stromleitungen zu bewegen und gleichzeitig eine hohe Zugkraft sowie eine große Tragfähigkeit bereitzustellen.

Dadurch kann der Roboter komplexe Arbeitsaufgaben unter schwierigen Umgebungsbedingungen durchführen.

Darüber hinaus liefern diese Motoren eine zuverlässige Leistungsunterstützung für das präzise Steuerungssystem des Gorilla Mk1. Dadurch kann der Roboter die auf die Leitungen wirkenden Kräfte flexibel anpassen und die Sicherheit sowie Effizienz der Arbeiten maximieren.

Weitere Anwendungsbeispiele：GL60II Hollow Gimbal Motor treibt RoboMaster-Ingenieurroboter an

Anwendungen von Robotern in beengten Räumen und hochintegrierten Umgebungen

Umgebungsmerkmale

Einige Roboter müssen in räumlich begrenzte Bereiche eindringen, beispielsweise:

• Rohrleitungen

• Innenbereiche von Anlagen

• Strukturen von Luft- und Raumfahrtsystemen

• Kleine Roboterplattformen

Die größte Herausforderung dieser Anwendungen besteht darin, trotz begrenztem Bauraum ausreichende Bewegungsfähigkeit zu erreichen.

Typische Roboteranwendungen

Pipeline-Inspektionsroboter

Einsatzbereiche:

• Zustandsprüfung von Rohrleitungen

• Erkennung von Schäden

• Datenerfassung

Miniatur-Inspektionsroboter

Anwendungen:

• Inspektion enger Räume

• Prüfung von Geräteinnenbereichen

Kleine Roboterarme

Einsatz für:

• Präzisionsoperationen

• Montagearbeiten auf engem Raum

Wichtige Anforderungen an Motoren und Aktuatoren

Miniaturisiertes Design

Aufgrund begrenzten Bauraums müssen reduziert werden:

• Motorabmessungen

• Systemgewicht

Hohe Drehmomentdichte

Der Antrieb muss innerhalb eines begrenzten Volumens eine ausreichende Ausgangsleistung bereitstellen.

Hohe Integrationsfähigkeit

Aktuatoren müssen häufig folgende Komponenten integrieren:

• Motor

• Encoder

• Steuerungskomponenten

Dadurch kann die Systemkomplexität reduziert werden.

Flexible Strukturgestaltung

Einige Anwendungen benötigen:

• Hohlwellenstrukturen

• Spezielle Montagekonzepte

• Kundenspezifische Designs

Anwendungsfall

Link zum Anwendungsfall：案例展示 | CubeMars AK电机赋能 Legacy V2 四轮独立转向探测车

Bei Aufgaben zur Erkundung komplexer Gelände und zur Inspektion enger Räume entscheidet die Mobilität des Fahrwerks häufig über den Erfolg einer Mission.

Das Fahrwerk des Legacy V2 Vier-Rad-unabhängigen-Lenkungs-Erkundungsfahrzeugs verwendet innovativ eine 4WS4WD-Architektur (Four-Wheel Steering & Four-Wheel Drive) und ist mit CubeMars AK-Serien-Antriebsmodulen als zentralen Antriebs- und Ausführungseinheiten ausgestattet.

Dadurch erreicht das Fahrzeug eine Vielzahl hochflexibler Bewegungsfähigkeiten, darunter:

• Rotation auf der Stelle mit Null-Wenderadius

• Seitliche Bewegung

• Omnidirektionale Fortbewegung

Diese Eigenschaften bieten eine besonders hohe Flexibilität für spezielle Erkundungsaufgaben.

Weitere Anwendungsbeispiele：KLEIYN Vierbeiniger Wandkletterroboter angetrieben von CubeMars

Anwendungen von Robotern in langfristig unbeaufsichtigten Umgebungen

Umgebungsmerkmale

Mit der Weiterentwicklung der Automatisierungstechnologie müssen immer mehr Roboter langfristig in Bereichen eingesetzt werden, die nur schwer durch Menschen gewartet werden können.Typische Einsatzbereiche umfassen:

• Autonome Bergbaugebiete

• Abgelegene Regionen

• Infrastrukturanlagen

• Langstrecken-Inspektionsbereiche

Diese Roboter müssen den manuellen Wartungsaufwand reduzieren und gleichzeitig eine langfristige Betriebsfähigkeit gewährleisten.

Typische Roboteranwendungen

Automatische Inspektionsroboter

Einsatzbereiche:

• Anlagenprüfung

• Zustandsüberwachung

• Datenerfassung

Mobile Überwachungsplattformen

Anwendungen:

• Umweltüberwachung

• Automatische Kontrollgänge

Autonome Transportroboter

Einsatz für:

• Langstreckentransport

• Automatisierte Logistik

Wichtige Anforderungen an Motoren und Aktuatoren

Hohe Effizienz

Bei langfristigem Betrieb muss der Energieverbrauch reduziert werden.

Lange Lebensdauer

Folgende Faktoren müssen berücksichtigt werden:

• Mechanischer Verschleiß

• Temperaturanstieg

• Fähigkeit zum Dauerbetrieb

Geringer Wartungsaufwand

Ein geringerer Wartungsbedarf reduziert Personalkosten und erhöht die Verfügbarkeit der Anlagen.

Stabiler Betrieb

Das Antriebssystem muss seine Leistungsfähigkeit langfristig konstant halten.

Anwendungsfall

Link zum Anwendungsfall：CubeMars RI80 treibt den Übertragungsleitungs-Inspektionsroboter von Transgrid an

Im Bereich der Wartung von Hochspannungsnetzen in großer Höhe ist die manuelle Arbeit unter Spannung seit jeher mit erheblichen Sicherheitsrisiken verbunden.

Das von der australischen Firma Transgrid entwickelte Hochspannungsleitungs-Inspektionssystem nutzt innovativ ein Fahrwerkskonzept, das vom NASA-Marsrover Perseverance Rover inspiriert wurde.

Als zentrale Antriebskomponente verwendet der Roboter den leistungsstarken CubeMars RI80 Gelenkmotor.

Der Roboter kann sich selbstständig auf Hochspannungsleitungen bewegen, präzise klettern und verschiedene Kabelkomponenten problemlos überwinden.

Dadurch werden Menschen von gefährlichen Arbeiten in großer Höhe und unter Spannung entlastet.

Fazit: Wesentliche Faktoren bei der Auswahl von Motoren für Roboter in komplexen Umgebungen

Bei der Auswahl von Motoren für Roboter in komplexen Umgebungen reicht es nicht aus, nur einzelne Parameter wie Spitzendrehmoment oder Drehzahl zu betrachten. Stattdessen müssen die tatsächlichen Arbeitsbedingungen, die Aufgaben des Roboters, die mechanische Struktur sowie die Anforderungen an die Steuerung umfassend bewertet werden.

Bei der Auswahl von Motoren oder Aktuatoren sollten insbesondere folgende Aspekte berücksichtigt werden:

• Anpassungsfähigkeit an die Umgebung

• Abstimmung zwischen Aufgabenanforderungen und Leistungsparametern

• Drehmoment, Drehzahl und Arbeitszyklus

• Mechanische Struktur und Integrationsanforderungen

• Steuerungsfähigkeit und langfristige Zuverlässigkeit

Nur durch eine optimale Abstimmung zwischen Motor, Aktuator, mechanischer Struktur und Steuerungssystem kann ein Roboter in komplexen Umgebungen einen stabilen, effizienten und zuverlässigen Betrieb erreichen.