Anwendungsbeispiel Marsrover von RoboTeam Twente: Wie CubeMars die Anforderungen an die Fortbewegung in anspruchsvollem Gelände erfüllt

Einen Marsrover für anspruchsvolles Gelände entwickeln

Ein Marsrover ist eine der repräsentativen Anwendungen im Bereich der mobilen Robotik. Im Gegensatz zu gewöhnlichen mobilen Robotern, die hauptsächlich auf ebenen Flächen eingesetzt werden, müssen Marsrover mit komplexen Umgebungen wie unebenem Gelände, weichem Untergrund, losem Gestein und Steigungen zurechtkommen. Der Roboter muss nicht nur über ausreichend Antriebskraft verfügen, sondern auch während der Bewegung kontrollierbar bleiben und gleichzeitig das Gesamtgewicht des Fahrzeugs, den verfügbaren Bauraum und die Anforderungen an die Systemintegration berücksichtigen.

RoboTeam Twente ist ein interdisziplinäres studentisches Robotikteam aus den Niederlanden, dessen Mitglieder von der University of Twente und der Saxion University of Applied Sciences kommen. Das Team konzentriert sich auf die Entwicklung von Robotersystemen und arbeitet dabei in verschiedenen Disziplinen, darunter mechanische Konstruktion, elektronische Systeme, Embedded Control, Softwareentwicklung und künstliche Intelligenz.

Beim Marsrover-Projekt von RoboTeam Twente entschied sich das Team für einen Sechsradantrieb, bei dem jedes Rad mit einem unabhängigen Motor ausgestattet ist. Dabei ist der CubeMars AK70-10 KV100 im Inneren der Radnabe installiert und dient als Radantriebsaktor, der die Antriebseinheit eng mit der Radstruktur verbindet.

Bei einem solchen Projekt geht es bei der Antriebsauslegung nicht einfach nur um die Auswahl einer einzelnen Komponente. Die Leistung von Motor und Aktor beeinflusst die an den Rädern verfügbare Antriebskraft, die Reaktion des Roboters auf Bewegungsbefehle und die mechanische Anordnung des gesamten Fahrgestells.

Daher ist die Frage, wie sich Antriebsleistung, Bewegungsreaktion und Systemintegration in Einklang bringen lassen, ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung eines Antriebssystems für einen Marsrover.

Herausforderungen des Antriebssystems: Leistung und Steuerung in Einklang bringen

Während der Entwicklung eines Marsrovers muss das Antriebssystem unterschiedliche Bewegungsbedingungen bewältigen können.

1. Anspruchsvolles Gelände erfordert ein ausreichendes Abtriebsdrehmoment

Wenn ein Roboter auf Steigungen, weichem Untergrund oder steinigen Flächen fährt, müssen seine Räder den Bodenwiderstand sowie die durch die Steigung verursachten Laständerungen überwinden. Wenn das Antriebssystem nicht genügend Drehmoment am Rad bereitstellen kann, kann es für den Roboter schwierig werden, die vorgesehene Bewegung aufrechtzuerhalten.

Bei der Auswahl eines Antriebsaktors reicht es daher nicht aus, ausschließlich auf die Motordrehzahl oder die Baugröße zu achten. Ebenso muss berücksichtigt werden, wie der Untersetzungsmechanismus die Motorleistung in das an den Rädern benötigte Drehmoment umwandelt.

Das Drehmoment am Rad ist ein wichtiger Indikator für die Bewertung der Antriebsfähigkeit, kann jedoch die Steigfähigkeit oder das Hindernisüberwindungsvermögen eines Marsrovers nicht allein bestimmen. Faktoren wie der Radradius, die Gesamtmasse des Fahrzeugs, die Bodenhaftung, die Fahrgestellstruktur und die Lastverteilung beeinflussen ebenfalls die Bewegungsfähigkeit des Roboters in anspruchsvollem Gelände.

2. Die Bewegungsreaktion beeinflusst die Manövrierfähigkeit des Roboters

Ein Marsrover fährt nicht immer mit derselben Geschwindigkeit. Beim Anpassen der Fahrgeschwindigkeit, beim Ändern der Fahrtrichtung oder bei der Ausführung präziser Bewegungsaufgaben muss das Antriebssystem zeitnah auf Steuerbefehle reagieren.

Das Untersetzungsverhältnis ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Abtriebsdrehzahl und das Drehmoment eines Aktors beeinflussen. Ein höheres Untersetzungsverhältnis führt in der Regel zu einer stärkeren Drehmomentvervielfachung, verringert jedoch die Abtriebsdrehzahl, während ein niedrigeres Untersetzungsverhältnis in der Regel eine höhere Abtriebsdrehzahl begünstigt.

Das bedeutet, dass die Auslegung des Antriebssystems auf den tatsächlichen Bewegungsanforderungen des Roboters basieren muss, anstatt einfach davon auszugehen, dass ein höheres Untersetzungsverhältnis immer besser ist. Auch der Betriebspunkt des Motors, der Wirkungsgrad der Kraftübertragung und die Steuerungsparameter beeinflussen die tatsächliche Ausgangsleistung des Aktors.

3. Begrenzter Bauraum erhöht die Komplexität der Systemintegration

Im Fahrgestell eines mobilen Roboters muss Platz für die Räder, die Federungsstruktur, die Batterie, den Controller und weitere Missionsausrüstung vorgesehen werden. Wenn Motor, Getriebe, Encoder und Treiber separat installiert und aufeinander abgestimmt werden müssen, können sich die mechanische Anordnung und die elektrische Integration komplizierter gestalten.

Für Entwicklungsteams im Bereich Robotik, die gleichzeitig an der mechanischen Konstruktion, den elektronischen Systemen und der Softwaresteuerung arbeiten müssen, ist auch der Integrationsgrad des Aktors ein wichtiger Faktor bei der Bewertung einer Antriebslösung.

Die Antriebslösung von CubeMars: AK70-10 KV100 und nabennaher Antrieb

Bei einem mobilen Roboter mit Sechsradantrieb müssen bei der Auswahl des Aktors das Abtriebsdrehmoment, die Drehzahl, die Einbaumaße und die Steuerschnittstellen umfassend berücksichtigt werden. Der CubeMars AK70-10 KV100 verfügt über ein Planetengetriebe mit einer Untersetzung von 10:1 und integriert wichtige Komponenten wie Motor, Treiber und Encoder. Damit bietet er eine mögliche Lösung, die hinsichtlich der mechanischen Anordnung und der Steuerungsintegration eines Roboterantriebssystems bewertet werden kann.

Das Untersetzungsverhältnis bestimmt den wichtigen Zielkonflikt zwischen Abtriebsdrehzahl und Drehmomentvervielfachung, während eine integrierte Bauweise die Installation und Abstimmung bestimmter Komponenten vereinfachen kann. Beide Aspekte verdienen bei platzbeschränkten, in die Radnabe integrierten Antriebskonstruktionen besondere Aufmerksamkeit.

Ob ein Aktor für eine bestimmte Marsrover-Plattform geeignet ist, muss jedoch weiterhin anhand der Gesamtmasse des Fahrzeugs, des Radradius, der angestrebten Fahrgeschwindigkeit, der Geländebedingungen und der Anforderungen an die Wärmeabfuhr im Dauerbetrieb umfassend bewertet werden.

1. AK70-10 KV100: Untersetzungsverhältnis 10:1 und in die Radnabe integrierter Antrieb

In der Projektvorstellung von RoboTeam Twente wird der CubeMars AK70-10 KV100 als Radantriebseinheit des Marsrovers von RoboTeam Twente gezeigt und im Inneren der Radnabe installiert. Diese Anordnung verbindet den Antriebsaktor mit der Radstruktur und bietet einen konkreten Anwendungsbezug für die Konstruktion des Fahrgestells und die Integration des Antriebssystems.

Laut den offiziellen Produktspezifikationen von CubeMars lauten die wichtigsten Parameter des AK70-10 KV100 wie folgt:

Der AK70-10 KV100 verwendet ein Planetengetriebe mit einer Untersetzung von 10:1 und integriert wichtige Komponenten wie Motor, Treiber und Encoder in einem einzigen Aktor. Für Entwicklungsteams im Bereich mobiler Robotik erleichtert dieser Integrationsansatz die Planung des Antriebssystems auf Grundlage relativ klar definierter Abmessungen, Befestigungsschnittstellen und Steuerschnittstellen.

Bei einer in die Radnabe integrierten Antriebskonstruktion muss der Aktor ausreichend Abtriebsdrehmoment bereitstellen und gleichzeitig die Anforderungen an die angestrebte Fahrgeschwindigkeit, den verfügbaren Bauraum und den Dauerbetrieb erfüllen. Ein niedrigeres Untersetzungsverhältnis begünstigt in der Regel eine höhere Abtriebsdrehzahl, bietet jedoch eine vergleichsweise geringere Drehmomentvervielfachung. Daher ist weiterhin eine umfassende Bewertung anhand der Raddimensionen, der Gesamtbelastung des Fahrzeugs und der tatsächlichen Geländebedingungen erforderlich.

Darüber hinaus sind das Nenndrehmoment und das Spitzendrehmoment eines Aktors nicht gleichbedeutend mit der Steigfähigkeit oder dem Hindernisüberwindungsvermögen des Fahrzeugs. Die Dauerabtriebsleistung, die zulässige Dauer des Betriebs mit Spitzendrehmoment, der Wirkungsgrad der Kraftübertragung, die Bedingungen der Wärmeabfuhr und die Bodenhaftung müssen bei der tatsächlichen Konstruktion und Erprobung berücksichtigt werden.

Warum integrierte Aktoren in Betracht ziehen?

Neben den Ausgangseigenschaften, die sich aus unterschiedlichen Untersetzungsverhältnissen ergeben, ist die Integration des Aktors ein weiterer Aspekt des RoboTeam-Twente-Projekts, der näher betrachtet werden sollte.

Der CubeMars AK70-10 KV100 integriert wichtige Komponenten wie Motor, Getriebe, Treiber und Encoder in einem einzigen Gehäuse. Im Vergleich zur separaten Auswahl und Installation mehrerer Komponenten bietet eine integrierte Lösung die Möglichkeit, bestimmte mechanische Installations- und Abstimmungsarbeiten im System zu vereinfachen.

Für Entwicklungsteams im Bereich Robotik bietet dieser Konstruktionsansatz mehrere wertvolle Anhaltspunkte.

1. Vereinfachung der mechanischen Anordnung des Antriebssystems

Die Außenabmessungen, Befestigungsschnittstellen und Abtriebsstruktur des Aktors wirken sich unmittelbar auf die Konstruktion des Fahrgestells aus. Im Projekt von RoboTeam Twente ist der AK70-10 KV100 im Inneren der Radnabe installiert. Daher haben die Abmessungen der Antriebseinheit und ihr struktureller Integrationsgrad einen direkten Einfluss auf die Gestaltung der Radnabe.

Durch den Einsatz eines integrierten Aktors können Entwickler die Struktur anhand relativ klar definierter Abmessungen und Befestigungsschnittstellen planen und dadurch einen Teil des Konstruktionsaufwands für die Anordnung separater Komponenten reduzieren.

2. Die koordinierte Entwicklung mechanischer Systeme und Steuerungssysteme ermöglichen

Bei der Entwicklung von Roboterantriebslösungen müssen die mechanische Montage, die Stromversorgungskonfiguration, die Kommunikationsschnittstellen, die Steuerungsmethoden und die Rückmeldesignale gleichzeitig berücksichtigt werden. Wenn die Schnittstellen und Steuerungsmöglichkeiten des Aktors frühzeitig geklärt werden, können die Teams für Mechanik, Elektronik und Software ihre Integrationsarbeiten besser aufeinander abstimmen und auf derselben Antriebslösung aufbauen.

Das bedeutet nicht, dass bei einem integrierten Aktor auf die Systeminbetriebnahme verzichtet werden kann. Stromversorgung, Strombegrenzungen, Kommunikationsprotokolle, Steuerungsparameter und thermische Auslegung müssen weiterhin anhand der Produktdokumentation und der Anforderungen des Gesamtfahrzeugs überprüft werden.

3. Konfigurationsflexibilität für unterschiedliche Bewegungsanforderungen schaffen

RoboTeam Twente hat einen Sechsradantrieb eingesetzt, bei dem jedes Rad mit einem unabhängigen Motor ausgestattet ist. Bei dieser Konstruktion müssen nicht nur die Ausgangsleistungen der einzelnen Aktoren berücksichtigt werden, sondern auch die Kommunikationskonfiguration, die Parameterkalibrierung und die koordinierte Steuerung mehrerer Antriebseinheiten.

In der Projektvideovorstellung zeigt das Team, wie den Motoren individuelle IDs zugewiesen werden, wie sie über einen gemeinsamen Kommunikationsbus mit dem Steuerungssystem verbunden werden und wie der Prozess von der Kalibrierung eines einzelnen Motors bis zum koordinierten Anlaufen aller sechs Räder fortgeführt wird.

Diese Details zeigen, dass der Einsatz integrierter Aktoren nicht nur die mechanische Montage umfasst, sondern auch mit der Kommunikationskonfiguration, den Steuerungsschnittstellen sowie der Integration und Inbetriebnahme des Gesamtfahrzeugs abgestimmt werden muss.

Welche Erkenntnisse lassen sich aus dem Fallbeispiel von RoboTeam Twente gewinnen?

Das Projekt von RoboTeam Twente zeigt den Einsatz kompakter integrierter Aktoren in einer mobilen Plattform mit sechs Rädern und bietet mehrere hilfreiche Anhaltspunkte für die Auswahl von Antriebskomponenten in anderen mobilen Robotikprojekten.

1. Den verfügbaren Bauraum in Verbindung mit der Rad- und Fahrgestellstruktur bewerten

Neben dem Außendurchmesser des Aktors müssen auch die axiale Länge, die Befestigungsschnittstellen, die Kabelführung und der Wartungsraum berücksichtigt werden. Bei Plattformen mit mehreren Rädern beeinflussen die Abmessungen und das Gewicht jeder Antriebseinheit zudem die Gesamtanordnung des Fahrzeugs.

Daher sollte die Auswahl anhand einer Gesamtkonstruktion erfolgen, die Radnabe, Federungsstruktur und verfügbaren Fahrgestellraum berücksichtigt, anstatt die Eignung ausschließlich anhand des Außendurchmessers des Aktors zu beurteilen.

2. Die erforderlichen Abtriebswerte am Rad anhand der tatsächlichen Betriebsbedingungen berechnen

Fahrzeuggewicht, Radradius, Steigung, Bodenwiderstand und Anforderungen an die Hindernisüberwindung beeinflussen das erforderliche Drehmoment. Kurzzeitige Spitzenlasten und Anforderungen an den Dauerbetrieb sollten getrennt bewertet werden. Dabei sollte eine angemessene Reserve für die tatsächlichen Betriebsbedingungen vorgesehen werden.

Nenndrehmoment und Spitzendrehmoment müssen getrennt bewertet werden. Gleichzeitig müssen die Dauerabtriebsleistung, der Wirkungsgrad der Kraftübertragung und die Bedingungen der Wärmeabfuhr berücksichtigt werden. Die Produktspezifikationen bilden lediglich den Ausgangspunkt für die Aktorauswahl und können die Leistungsvalidierung des Gesamtfahrzeugs nicht unmittelbar ersetzen.

3. Das Untersetzungsverhältnis auf die angestrebte Fahrgeschwindigkeit abstimmen

Ein höheres Untersetzungsverhältnis ermöglicht ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, begrenzt jedoch zugleich die Abtriebsdrehzahl. Bei der Auswahl sollten Berechnungen und Überprüfungen die angestrebte Fahrgeschwindigkeit, das Drehmoment am Rad und das dynamische Ansprechverhalten berücksichtigen.

Bei mobilen Robotern ist das geeignete Untersetzungsverhältnis weder einfach das höchstmögliche noch das niedrigstmögliche. Stattdessen sollte es für die jeweilige Aufgabe ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Antriebskraft, Höchstgeschwindigkeit und Bewegungsreaktion ermöglichen.

4. Das Steuerungssystem frühzeitig planen

Bei Plattformen mit sechs oder mehr Antriebseinheiten müssen die Kommunikationsschnittstellen, Steuerungsmodi, Rückmeldedaten und die Stromversorgungskonfiguration überprüft werden. Gleichzeitig sollten die Motor-IDs, die Busverbindungen und die Abläufe für die Inbetriebnahme geplant werden.

Wenn mehrere Antriebseinheiten koordiniert betrieben werden, müssen auch die Kommunikationslast, die Verwaltung der Steuerbefehle und die Fehlerbehandlungsmechanismen berücksichtigt werden. Bei Robotern, die für lange Betriebszeiten ausgelegt sind, sollten außerdem der Temperaturanstieg, die Wärmeabfuhr und die Dauerabtriebsleistung überprüft werden.

Die endgültige Auswahl eines Antriebsaktors muss sich stets an den Anforderungen des Gesamtfahrzeugs orientieren. Erst durch Prototypentests, bei denen Drehmoment, Drehzahl, Temperaturanstieg, Kommunikationsstabilität und das tatsächliche Verhalten im Gelände überprüft werden, lässt sich feststellen, ob eine Antriebslösung für die vorgesehene Anwendung geeignet ist.

Fazit

Das Marsrover-Projekt von RoboTeam Twente verdeutlicht die Bedeutung des Antriebssystems bei der Entwicklung mobiler Roboter für anspruchsvolles Gelände. Von der kompakten Anordnung des Antriebs im Inneren der Radnaben bis hin zum unabhängigen Antrieb und zur koordinierten Steuerung aller sechs Räder muss jede Entscheidung zur Auslegung des Antriebssystems anhand der tatsächlichen Aufgabenanforderungen des Roboters bewertet werden.

In diesem Anwendungsfall dient der CubeMars AK70-10 KV100 als in die Radnabe integrierter Antriebsaktor des Marsrovers. Er verfügt über ein Planetengetriebe mit einer Untersetzung von 10:1 und integriert wichtige Komponenten wie Motor, Treiber und einen 14-Bit-Encoder in einem einzigen Gehäuse. Sein Nenndrehmoment beträgt 8.3 N·m, während das Spitzendrehmoment etwa 24.8 N·m beträgt. Damit liefert er konkrete Produktparameter für die Bewertung kompakter, in die Radnabe integrierter Antriebslösungen.

Bei Marsrovern und anderen mobilen Robotikprojekten bedeutet die Auswahl einer geeigneten Antriebslösung mehr, als lediglich einen Motor mit beeindruckenden technischen Daten auszuwählen. Die Ausgangseigenschaften des Aktors müssen zur Gesamtlast des Fahrzeugs, zu den Radparametern, den Bewegungszielen und dem Steuerungssystem passen. Gleichzeitig sollten der verfügbare Bauraum, die Bedingungen der Stromversorgung, das Wärmemanagement, die Kommunikationsmöglichkeiten und die Leistung im Dauerbetrieb in die Gesamtkonstruktion und den Validierungsprozess einbezogen werden.

Anhand des Projekts von RoboTeam Twente können Robotikentwickler besser nachvollziehen, wie sich die Ausgangsleistung und die Integrationsmöglichkeiten von Aktoren auf Grundlage praktischer Anwendungsanforderungen bewerten lassen und wie dabei Antriebsleistung, mechanische Anordnung und Anforderungen an die Steuerung mehrerer Motoren gemeinsam berücksichtigt werden können. Die integrierten Aktoren der CubeMars-AK-Serie bieten Antriebslösungen, die bei der Roboterauslegung bewertet werden können. Das konkrete Modell sollte jedoch entsprechend den Betriebsbedingungen des Projekts und den offiziellen technischen Spezifikationen ausgewählt werden.

Wenn Sie einen Marsrover, einen geländegängigen mobilen Roboter oder eine andere Roboterplattform entwickeln, die ein kompaktes Antriebssystem benötigt, können Sie sich näher über die Aktoren der CubeMars-AK-Serie informieren und anhand Ihrer Anforderungen an Last, Geschwindigkeit und Steuerung eine geeignete Antriebslösung für Ihr Projekt finden.