Design und Herstellung eines steuerbaren Roboterarms

 

Physik  |  Technik

 

Idris Zuncevski, 2004 | Bremgarten, AG

 

Roboter werden zunehmend zu einem grösseren Bestandteil unseres Alltags und finden in verschiedenen Bereichen Anwendung. Diese Arbeit beschreibt detailliert das Design und die Herstellung eines Roboterarms, der über einen Kontroller, in der Form eines Exoskeletts, gesteuert wird. Durch die Analyse der Anatomie des menschlichen Arms werden wichtige Merkmale nachgebildet, um kompakte Mechanismen und Strukturen zu schaffen, die später realistische Bewegungen ausführen können. Die Untersuchung beleuchtet den Designprozess und konzentriert sich auf relevante Beobachtungen. Wesentliche Merkmale der Komponenten sowie deren Integration in ein zusammenhängendes System zur Nachahmung der Armfunktionen werden präsentiert. Anschliessend werden Bauweisen und Montagevorgänge des Arms erläutert. Zudem werden die elektronische Architektur und Steuermechanismen des Arms ausführlich erklärt, einschliesslich des Designs und der Betriebsaspekte des Exoskelettkontrollers. Der Arm verfügt über eine Steuereinheit in Form eines Exoskeletts, das die Bewegungen einer Person in elektronische Signale umwandelt und Servos ansteuert, um die mechanischen Komponenten zu aktivieren. Abschliessend werden potenzielle Anwendungen des Arms wie die Bombenentschärfung oder der Einsatz als Prothese diskutiert.

Fragestellung

Es soll ein Roboterarm gebaut werden, der mit elektronischen Komponenten bewegt werden sollte und als Prototyp für weitere Versionen dienen kann. Der Arm soll mit einem Kontroller in Form eines Exoskeletts, der mechanische Bewegungen in elektrische Signale umwandelt, gesteuert werden und dabei Bewegungen imitiert. Mithilfe eines Adapters sollte sich der Arm an einer Vorrichtung leicht aufsetzen und sichern sowie leicht entfernen und damit auch als Prothese verwendet werden können.

Methodik

Zunächst wurde die eigene Hand betrachtet und bei verschiedenen Bewegungen analysiert. Dabei vielen einige Details auf, die das Produkt einzigartig machen. Diese Beobachtungen wurden anschliessend von Hand skizziert. Teile sowie ganze Mechanismen wurden nachträglich auf Fusion 360 gezeichnet und mithilfe von Animationen ausprobiert. Nachträglich wurden diese Teile mit einem 3d-Drucker ausgedruckt. Für den Druckprozess wurde PLA-Filament verwendet. Für das Verarbeiten von anderen Materialien wie Aluminium und Stahl wurden normale handwerkliche Tätigkeiten ausgeführt, um weitere Komponenten sowie das Zusammensetzen der Komponenten, verwendet.

Ergebnisse

Der Arm konnte mit allen nötigen Gelenken für die wichtigsten Bewegungen ausgestattet werden. Ein Faustgriff ist möglich. Ein kontrollierter Feingriff ist nicht möglich, jedoch lässt sich beim Aufsetzen des einten Fingers auf einen Gegenstand ein Feingriff machen. Die Abnehmfunktion funktioniert und kann Hebelwirkungen von 80 kg auf PLA-Zahnräder übermitteln.

Diskussion

Ein entscheidender Bereich, der in Betracht gezogen werden muss, ist das Fehlen eines Gelenks im Handgelenk sowie der Drehfunktion des Oberarms, die eine Rotation des Oberarms um seine eigene Achse ermöglicht. Dennoch funktionieren die vorhandenen Gelenke weitgehend wie beabsichtigt. Insbesondere die Finger, die aufgrund ihrer Metallgelenke, zeigen eine bemerkenswerte Belastbarkeit und Übertragungsfähigkeit grosser Zugkräfte. Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung liegt im Ellbogengelenk, das über ein Hebelsystem verfügt. Ein Umbau dieses Systems könnte ein kompakteres Gelenk schaffen, was die Integration des Arms als Prothese erleichtern würde. Die Rotation des gesamten Unterarms ist ein weiteres Merkmal, das seitliche Griffe ermöglicht, beispielsweise beim Anheben eines Glases. Der Oberarm fungiert als Verbindung zwischen Schulter und Unterarm und beherbergt insgesamt drei Servomotoren. Trotz der abnehmbaren Funktion ist der Servomotor, der für die Bewegung der Schulter verantwortlich ist, in der Lage, 80 kg zu übermitteln. Dank des Kreuzgelenkaufbaus ist es möglich, den Arm in alle Richtungen zu bewegen und die Beweglichkeit eines Arms drastisch zu erhöhen.

Schlussfolgerungen

Die gesetzten Ziele konnten erreicht werden. Die geplanten Designs sowie Mechanismen funktionieren, wie es zu Beginn der Arbeit geplant war. Das Schultergelenk war eine Herausforderung, da viele Komponenten auf engem Raum zusammenstossen. Die Schulter muss viele Bewegungen in verschiedenste Richtungen ausführen können und dabei das Gewicht des gesamten Arms von 2.34 Kg heben können und gleichzeitig auch abnehmbar sein. Ausserdem funktioniert der Kontroller wie geplant und könnte bereits für einfachere Anwendungen verschiedenster Bereiche eingesetzt werden.

 

 

Würdigung durch den Experten

Gerhard Kuert

Die Arbeit von Idris Zuncevski beschreibt die Entwicklung eines bionischen Roboterarms, welcher durch ein mechatronisches System ferngesteuert werden kann. Idris hat dabei, mit grossem Einsatz, physiologische Elemente einer Hand in ein komplexes System aus Servomotoren und Ansteuermodulen übersetzt und deren Funktion mit dem Greifen verschiedener Gegenstände unter Beweis gestellt. Der von Idris entwickelte Roboterarm könnte in Zukunft für einen Einsatz im humanitären Bereich oder der Prothetik zum Einsatz kommen.

Prädikat:

hervorragend

Sonderpreis «London International Youth Science Forum (LIYSF)» gestiftet von der Metrohm Stiftung

 

 

 

Kantonsschule Wohlen
Lehrer: Dr. Roger Scharpf