Doktorand Hongxi Zhu und Prof. Ulrike Thomas probieren die nachgiebigen Gelenke in einem Laufroboter aus.

Doktorand Hongxi Zhu und Prof. Ulrike Thomas probieren die nachgiebigen Gelenke in einem Laufroboter aus. TU Chemnitz / Jacob Müller

Seit 2016 haben die beiden Erfinder Prof. Dr.-Ing. Ulrike Thomas, Leiterin der Professur Robotik und Mensch-Technik-Interaktion an der TU Chemnitz, sowie ihr Doktorand Hongxi Zhu an diesem Gelenk getüftelt. Bisherige Gelenke wurden mit Sensoren, meistens Kraftsensoren, ausgestattet, um die Kontaktkräfte im Fall einer Kollision zu messen und gegebenenfalls ausweichen zu können. Andere Techniken verwenden externe optische Sensoren und überwachen so die Distanz zwischen Roboter und Mensch. Das Gelenk der beiden Chemnitzer Erfinder funktioniert ganz anders: Es kann mithilfe einer Feder Energie aufnehmen; dadurch wird Kollisionsenergie aufgefangen. Deshalb darf sich ein Roboter mit solchen Gelenken in naher Umgebung eines Menschen schneller bewegen, ohne dass dieser gefährdet wird.

Federhärte nicht-linear einstellbar

International gibt es noch einige Gelenke, die Federn verbauen, um Kollisionsenergie zu absorbieren. Die Herausforderung liegt jedoch darin, die Federhärte nicht-linear einstellen zu können, so dass bei Arbeiten, die eine hohe Kraft erfordern, der Roboter selbständig adaptiv die Federhärte einstellen kann, um so beispielsweise einen Nagel in eine Wand schlagen zu können. „Mit dem Gelenk ist es uns gelungen, einen sehr großen Bereich abzudecken und gleichzeitig ein kompaktes Design für das Robotergelenk zu bieten“, sagte Thomas.

Ein weiterer Vorteil der nachgiebigen Gelenke: Die gespeicherte Energie kann auch zur Beschleunigung der Bewegung verwendet werden, so dass ein humanoider Roboter Bälle werfen oder springen kann. Die erste Idee hatte Thomas bei Betrachtung eines Harmonic-Drive-Getriebes, eines Wellengetriebes mit hoher Übersetzung. Dies nutzt eine elliptische Form beziehungsweise einen elliptischen Rotor, damit sich ein nicht-lineares Verhalten realisieren lässt. Thomas‘ Mitarbeiter Hongxi Zhu entwickelte die ersten Ideen dann schnell zu funktionierenden Prototypen weiter.

In Deutschland gibt es auf dem Gebiet der nachgiebigen Gelenke genau zwei Patente. Ein etwas älteres Patent, angemeldet durch das Deutsche Zentrum für Luft-und Raumfahrt, und dieses neue Gelenk, angemeldet durch die TU Chemnitz.