Referat von Johannes Hurka zum Projektpraktikum Roboterbau WS 00/01 Uni-Oldenburg

Nicht-elektromagnetische Verfahren zur Umwandlung von Strom in Bewegung


-Die Verwendbarkeit von Memory-metallen in Robotern-


Der weitaus größte Anteil an Robotern wird heutzutage elektrisch betrieben. Dies ist vor allem darin begründet, daß die elektronischen Steuerkomponenten ohnehin Elektrizität benötigen und es schwierig wäre, für den Bewegungsapparat eine weitere Energieversorgung bereitzustellen. Allerdings gibt es nicht viele Möglichkeiten, den Strom zur Erzeugung von Bewegung zu nutzen. Die am meisten verwendeten Antriebe nutzen den Elektromagnetismus dazu, im allgemeinen also Elektromotoren, die eine Rotationsbewegung erzeugen, seltener Linearmotoren, wie sie etwa beim Transrapid eingesetzt werden, oder einzelne Elektromagneten, die nur kleine Bewegungen erzielen, beispielsweise in Relais.
Der Nachteil von Elektromotoren ist deren Größe und Gewicht. Besonders bei autarken Robotern, die schon ihre Energieversorgung mit sich herumtragen müssen, kann es leicht passieren, dasß die Anzahl der Freiheitsgrade eingeschränkt werden muß, weil weitere Motoren zu schwer wären. Je kleiner die Roboter zudem werden, desto schwieriger wird es, die notwendigen Magnetspulen unterzubringen.
Im folgenden sollen zwei Arten der Bewegungserzeugung aus Elektrizität vorgestellt werden, die nicht den elektromagnetischen Effekt ausnutzen. Dabei muß vorweg bemerkt werden, daß diese Verfahren keineswegs einen vollwertigen Ersatz darstellen, sondern insbesondere im makroskopischen Bereich nur sehr begrenzt bis gar nicht einsetzbar sind. Da jedoch der Elektromagnetismus gerade bei kleinen Maßstäben versagt, ist es sinnvoll, diese Verfahren als Ergänzung dazu anzusehen.
Hauptsächlich soll hier das Phänomen der Memory-metalle geschildert werden, weil diese Art der Krafterzeugung auch noch im kleinen makroskopischen Maßstab anwendbar ist und in einigen bestehenden Maschinen die Elektromotoren ersetzen könnte. Dagegen ist der Anwendungsbereich von Piezoaktuatoren auf den Nano- und Mikrobereich beschränkt. Dieser Effekt wird hauptsächlich deshalb vorgestellt, weil die Miniaturisierung der Roboter diese Größenordnung immer mehr erschließt.

Memory-metalle

Neben dem Bi-metall-Effekt, bei dem zwei Drähte mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten aneinandergelötet werden und sich bei Erwärmung entsprechend verbiegen (Anwendung als Temperaturschalter in vielen Geräten), gibt es noch den Formgedächtnis-Effekt (shape memory), der bei einigen Legierungen auftritt(CuZnAl, CuAlNi, NiTi und andere). Dabei wechselt die Kristallstruktur von einem quasistabilen orthorhombischen Zustand, in dem das Material sehr elastisch ist, in einen kubischen, der sich durch hohe Festigkeit auszeichnet, wenn eine bestimmte Temperatur (Transformationstemperatur) überschritten wird.
Dieser Übergang verändert die Metalleigenschaften dahingehend, daß in der kälteren Phase (Martensit) eine größere Dehnbarkeit vorhanden ist, das Metall kann gestreckt und verformt werden; in der heißeren Phase (Austenit) nimmt es seine alte Form an (memory) und setzt dabei Kraft frei, die genutzt werden kann. Besonders bei Nickel-Titan-Legierungen können diese Kräfte ganz beachtlich sein, diese Legierung hat auch die größte Verkürzung (max. 8.5%) und ist mit Transformationstemperaturen zwischen -200° C und 110° C (abhängig von der genauen Zusammensetzung und kleinen Beimischungen) vielseitig einsetzbar. Dieses Metall, das auch wegen anderer Eigenschaften besonders im medizinischen Bereich eingesetzt wird, soll hier etwas genauer betrachtet werden.

Nitinol

Die vielseitige Verwendbarkeit der Nickel-Titan-Legierung hat dazu geführt, daß dieses Material den Kunstnamen Nitinol erhalten hat. Das größte Einsatzgebiet hat nicht einmal direkt mit dem thermo-elastischen Effekt zu tun, sondern nutzt die Biokompatibilität und die hervorragende mechanische Belastbarkeit von Nitinol für Implantate und medizinisches Werkzeug. So lassen sich sehr dünnwandige Teile herstellen und zusammenfalten, die etwa in der Gefäßmedizin Anwendung finden. Auch größere Teile, etwa Brillengestelle aus Nitinol, zeichnen sich durch die sogenannte Superelastizität aus, die darin besteht, daß der Martensitzustand auch durch mechanische Belastung errreicht werden kann und das Material nach der Beanspruchung wieder in den Austenitzustand übergeht (dazu muß die Transformationstemperatur natürlich entsprechend liegen).
Die Thermoelastizität wird zur Zeit vorwiegend genutzt, um metallische Komponenten einmalig zu verkleinern, beispielsweise Verschlußringe an Hochdruckleitungen, die im Martensitzustand (gekühlt) über die Verbindungen geschoben werden und dann in der Umgebungstemperatur schrumpfen und eine feste Verbindung schaffen.
Liegt die Transformationstemperatur über der Umgebungstemperatur, läßt sich die Erwärmung leicht realisieren, da Nitinol mit einem spezifischen Widerstand von 50 - 110 B5Ohm cm selbst als Heizdraht einsetzbar ist. Deshalb ist auch die bevorzugte Form für den Einsatz als Antrieb die Drahtform. Die hat auch den Vorteil, daß das Nitinol schnell wieder abkühlt und sich somit wieder ausdehnt und erneut wirksam werden kann. Ist die Erwärmung schnell, so nimmt das Nitinol sehr schnell die alte Form ein. Auch sehr dünne Drähte haben eine erstaunliche Festigkeit und können ganz ansehnliche Kräfte freisetzen (z.B. kann 0,1 mm starker Draht bis zu 330 g heben).
Beim Erwärmen ist unbedingt darauf zu achten, daß der Draht nicht überhitzt wird, da dadurch das Nitinol gehärtet wird und seine thermoelastischen Eigenschaften verliert. Wichtig ist auch, daß die Transformationstemperatur nicht völlig konstant ist, sondern von der mechanischen Belastung abhängt und auch davon, in welche Richtung der Übergang stattfindet.
Es gibt neben der beschriebenen Thermoelastizität noch eine weitere Form, den Zwei-Wege-Effekt. Hierfür wird das Nitinol thermisch und mechanisch so behandelt, daß es auch beim Abkühlen eine vorher antrainierte Form einnimmt. Allerdings ist die Kraftfreisetzung hierbei sehr gering und die Herstellung ist kompliziert. Benutzt man dünne Drähte, so läßt sich der Effekt ohnehin schlecht nutzen.

Anwendung

Im Roboterbau wird Nitinol vielfach als Antrieb kleiner Krabbelroboter verwendet. Diese benötigen keine Rotationsbewegung, daher ist die lineare Bewegung des Nitinols ideal. Die relativ zum Motor kleine Kraft wird durch das geringe Gewicht kompensiert und die Langsamkeit, bedingt durch die Abkühlungsphasen, wird hingenommen. Auch bei kleinen Greifmechanismen ist Nitinol geeignet.
Der Draht muß durch Klemmung (Crimpen oder kleine Schrauben) befestigt werden und auch die elektrischen Kontakte müssen auf diese Weise hergestellt werden, da die Thermoelastizität beim Löten verloren ginge. Wichtig ist, die Kontaktstellen abzuschleifen, weil die Oberfläche leicht oxydiert. Selbstverständlich muß darauf geachtet werden, daß die Konstruktion, die den Draht spannt, isoliert ist, damit der Draht auch als Heizdraht wirken kann. Da Nitinol ohne äußere Belastung auch unterhalb der Transformationstemperatur im Austenitzustand bleibt, muß eine geeignete Vorspannung durch Federn oder eine entsprechende Gegenkraft erzeugt werden. Beim Beispiel der Krabbelbeine genügt es, wenn die Beine aus einem leicht elastischen Material sind und vom Nitinol bei Verkürzung verbogen werden.
Die relativ geringe Bewegung kann durch geeignete Hebelkonstruktionen häufig kompensiert werden, dank der großen Flexibilität kann der Draht auch um Rollen geführt werden, um mehr Länge auf kleinem Raum unterzubringen. Die Angaben zum maximalen Strom, die auf den Packungen zum Glück vorhanden sind, sollten beherzigt werden, um das Überhitzen zu vermeiden. Ansonsten ist die Ansteuerung denkbar einfach, da die Heizwirkung unabhängig von Polarität oder Frequenz ist. Zu beachten ist nur die Abkühlungsphase, die in Steueralgorithmen berücksichtigt werden muß.
Man kann wohl sagen, daß Nitinol an einigen Stellen -wenn es um lineare Bewegungen mit kurzer Ausdehnung geht und die Beanspruchungen nicht zu stark sind- dem Elektomotor vorzuziehen ist, da es leichter und häufig auch besser unterzubringen ist. Allerdings steigt der Stromverbrauch sehr schnell, wenn mehrere Drähte parallel benötigt werden, um größere Kräfte zu erzielen. Nachteilig ist die Zeitverzögerung beim Abkühlen und die große Länge bei geringer Kontraktion, sowie die etwas knifflige Handhabung.

Bezug

Einziger deutscher Händler, von dem ich weiß, ist Gondek elctronics & components in 10439 Berlin, 030/4476302.In den USA gibt es Mondotronics Robot Store, der auch Bausätze anbietet. Inwiefern Nitinoldraht auch von den Herstellern medizinischer Geräte erhältlich ist, ist mir nicht bekannt.

Piezoelemente

Der Piezoeffekt (reziproker piezokeramischer Effekt) tritt bei bestimmten keramischen Materialien auf (Blei-Zirkonat-Titanat). Er bezeichnet eine Deformation des Materials in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Dabei dehnt sich das Material in Polungsrichtung aus, während es senkrecht dazu kontrahiert. Wird die Polung umgedreht, so kontrahiert das Element in Polungsrichtung, es kann allerdings auch Umpolarisierung auftreten. Anders als bei Schwingbausteinen, die zur Erzeugung von Frequenzen eingesetzt werden, wird eine Feldstärke von 2kV/mm benötigt, um brauchbare Deformationen zu erzielen, die auch mechanische Anwendungen erlauben. Deshalb werden Piezoaktuatoren häufig in dünnen Scheiben aufeinandergestapelt (Stapelaktuatoren).
Piezoaktuatoren werden vielfach in präzisen Geräten wie Druckern verwendet. Durch eine sehr große Genauigkeit eignen sie sich hervorragend für alle Bereiche, in denen kleine Wege bewältigt werden müssen und wo es nur geringe Abweichungen geben darf. Deshalb finden sich Piezos häfig in Werkzeugen zur Mikromontage. Aber auch Bewegungen bis in den cm-Bereich lassen sich realisieren, indem mehrere Aktoren abwechselnd auf einen Schieber wirken, der sich dadurch kontinuierlich weiterbewegt. Auch wenn diese Methode verhältnismäßig aufwendig ist, vereint sie doch makroskopische Bewegung und mikroskopische Genauigkeit.
Die Verwendung von Piezoelementen in der robotik beschränkt sich größtenteils auf Klein- und Kleinstroboter, beispielsweise Maschinen, die Nanobauteile bewegen und manipulieren. Mit dem angesprochenen Prinzip können sie aber auch gößere Roboter betreiben. Da Piezoaktuatoren mit Schub arbeiten, könnten sie in manchen Anwendungen die ideale Ergänzung zum ziehenden Nitinoldraht darstellen.


Quellen und Links