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Robotische Exoskelette

Der Schlüssel zu Superkräften

12. April 2018, 10:00 Uhr | von Rudy Ramos, Mouser Electronics

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Steuerung

Damit sich robotische Exoskelette selbstständig bewegen, sofort auf Input reagieren oder gar daraus lernen, ist eine extrem leistungsstarke Steuerung erforderlich.

Sensordaten wie Balance, Umgebungsbedingungen, Nähe zu anderen Objekten sowie zum Zustand des Exoskeletts selbst müssen gesammelt und verarbeitet werden, sodann eine Reaktion erfolgen.

Auch der Lernmodus ist eine Herausforderung. In einem solchen Szenario muss der Algorithmus riesige Datenmengen verarbeiten können. Idealerweise sollten sie auf Solid-State-Laufwerken gespeichert werden – herkömmliche Festplatten sind für den Betrieb von Exoskeletten unter rauen Bedingungen, in denen Erschütterungen die Regel sind, ungeeignet.

Dann ist da noch die für die verschiedenen Steuerungsmotoren nötige Rechenleistung. Eine gute Option sind die Mixed-Signal-Controller ADSP-CM40 von Analog Devices. Ausgestattet mit einem 240-MHz-ARM-Cortex-M4-Prozessor, ist der CM40 genau das Richtige für komplexe Signalverarbeitungsalgorithmen zur Steuerung eines Exoskelettes. Mit einer angemessenen Firmware zur Motorsteuerung kann der Wirkungsgrad erhöht, Verschleiß verringert, Erschütterungen reduziert und somit die Lebensdauer des Motors verlängert werden. Viel wichtiger ist jedoch der Schutz des Menschen durch Prognosen, ob eine bestimmte Bewegung ein Teil zu stark belastet bzw. den Betreiber das Gleichgewicht verlieren lässt.

Algorithmen für die Motorsteuerung gibt es wie Sand am Meer. Die Auswahl hängt dabei ganz von der Anwendung ab. Ist Kraft die wesentliche Voraussetzung, könnte ein hohes Drehmoment wichtiger sein als Effizienz. Hierfür wäre ein bürstenloser DC-Motor ideal. Sind Geschwindigkeit und Präzision wichtig? Dann würde ein Schrittmotor besser passen.

Es gibt eine Vielzahl von Development-Kits, Konfigurations-Tools und Bibliotheken für Motorsteuerungen. Mehr Details zur Auswahl der richtigen Motorsteuerung für Robotikanwendungen stellt Mouser unter www.mouser.de/applications/considerations-choosing-advance-robotics/ bereit.

Robotische Exoskelette vernetzen

Wie tauschen all diese Controller, Aktoren und Sensoren Daten aus? Wie bei jeder anderen Design-Entscheidung hängt das davon ab, wie das Exoskelett eingesetzt werden soll. In vielen Fällen ist Widerstandsfähigkeit wichtig. Drahtlose Verbindungen sind nicht immer geeignet, vor allem in widrigen, rauschintensiven Umgebungen, was bedeutet, dass Kabel mit robusten Steckverbindern weiterhin weit verbreitet sein werden. Stromverkabelung, Steckverbinder und Gehäuse müssen gleichermaßen robust sein. Molex beispielsweise stellt eine Vielfalt an Steckverbindern für Glasfaser- sowie herkömmliche Daten- und Steuerungssschnittstellen her.

Einsatz robotischer Exoskelette

Der oben kurz angesprochene Rettungseinsatz ist nur eine Möglichkeit, wie robotische Exoskelette unser Leben verändern könnten. Bei der Feuerbekämpfung oder bei Hochwasser würden sie Rettungskräften erlauben, schweres Equipment zu tragen oder Dämme zum Schutz bzw. Brücken zur Evakuierung von Flutopfern zu bauen. Chemieunfälle wären ein weiterer möglicher Einsatz, vorausgesetzt, dass Anwender und Elektronik ausreichend geschützt werden können. Es wird immer Situationen geben, die für Menschen zu gefährlich sind, für die aber ferngesteuerte Roboter statt Exoskelette genutzt werden können.

Auch für verletzte oder querschnittsgelähmte Menschen wäre die Nutzung lebensverändernd, da sie ein gewisses Maß an Beweglichkeit zurückgewinnen könnten. Mit einer anpassungsfähigen Steuerung könnte das Exoskelett vom Menschen lernen und so bestimmte Bewegungen autonom durchführen. Selbst Gehen und Laufen könnten teilweise unabhängig vonstatten gehen, sodass der Mensch elementare Bewegungen nicht selbst steuern müsste.

Die Steuerung robotischer Bewegungen per Gehirnwellen wird ebenfalls erforscht. Das, kombiniert mit Deep-Learning-Algorithmen und autonomer Steuerung, könnte zu auf höchster Abstraktionsebene angetriebenen Steuerungen führen. Natürlich sind wir noch nicht so weit. Diese Möglichkeit allein zeigt aber, wie sehr robotische Exoskelette die Menschheit verändern könnten.