3D-CAD/CAM-Software in der Roboterentwicklung

Andrea Gillhuber,

Die Zukunft der Robotik

Roboter haben einen großen Nachteil: Sie erreichen noch lange nicht die menschliche Genauigkeit beispielsweise bei filigranen Arbeiten, und vermutlich werden sie sie auch nie erreichen. Ein interdisziplinäres Entwicklerteam hat sich zum Ziel gesetzt, einen Roboter zu entwickeln, der dem Menschen gleicht. Eine Zwischenbilanz.
An dem Projekt Roboy 2.0 arbeitet ein internationales Wissenschaftsteam an der Entwicklung eines humanoiden Roboters. Dabei dient die 3D-CAD/CAM-Software Autodesk Fusion 360 als Entwicklungsplattform. © Roboy 2.0

Der menschliche Körper ist ein Meisterwerk: agil, dynamisch, flexibel und trotzdem stark. Wunden heilen sich von selbst und in der Benutzung ist er völlig geräuschlos. Ein über Millionen von Jahren perfektioniertes Skelett erlaubt ihm den aufrechten Gang, das komplexe Zusammenspiel zahlloser Muskeln, Sehnen und Gelenke geschicktes und filigranes Arbeiten mit den Händen.

Von dieser Höchstleistung der Evolution sind Roboter zum jetzigen Zeitpunkt noch weit entfernt. Ein Entwicklerteam des Non-Profit-Projekts Roboy aus München hat sich aber das Ziel gesetzt, einen Roboter zu entwickeln, der dem Menschen im gesamten Auftreten so nahe wie möglich kommen soll.

Roboy 2.0 (sprich Roboy two-oh) ist ein interdisziplinäres Grundlagenforschungsprojekt mit einem ziemlich ambitionierten Entwicklungsplan: „Unser Ziel ist es, einen humanoiden Roboter zu konstruieren, der genau so funktional ist wie der menschliche Körper“, erklärt Rafael Hostettler, Leiter des Roboy-Projekts. „Er soll sich nicht nur bewegen können wie ein Mensch, sondern auch sehen, hören und interagieren können wie wir.“

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Open-Source-Forschung schafft Grundlagen

Roboy kann in der aktuellen Entwicklungsphase bereits Fahrrad fahren, Personen erkennen und einzelne Gespräche führen. © Roboy 2.0

Das Team vereint mit über 100 Studierenden, Doktoranden und Absolventen der Technischen Universität München Experten aus den verschiedensten Fachbereichen. Gemeinsam arbeiten sie mit einem Netzwerk von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt seit Jahren an der Entwicklung des humanoiden Roboters. Das Royal Institute of Technology in Stockholm (Neuroprothetik), die Chinese University of Hong Kong (Algorithmik zur Ansteuerung des Roboters), Oxford University (Belastung von künstlichen Sehnen während deren Wachstum) und natürlich die TUM (Robotik & Echtzeitsysteme, Produktentwicklungsmethoden) sind beispielsweise ständige Kooperationspartner.

In der aktuellen Entwicklungsstufe kann Roboy bereits auf einem Rad in die Pedale treten, Personen erkennen und einfache Gespräche führen. Schon im Herbst soll er dann Xylophon spielen – eine aufgrund der benötigten Dynamik für Roboter besonders komplexe Aufgabe –, im nächsten Jahr soll er dann Eis verkaufen können. 2020 soll er in der Lage sein, grundlegende medizinische Diagnostiken durchzuführen. Die gesamte Forschung ist Open Source und schafft Grundlagen in Robotik, Künstlicher Intelligenz und audiovisueller Datenverarbeitung.

3D-CAD/CAM-Software für den Designprozess

Auch der Aufbau, das Gewicht und die Beschaffenheit der knochenähnlichen Bauteile spielen in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle. Den menschlichen Körper mechanisch abzubilden ist nur sehr aufwändig möglich. So bilden die Ingenieure mit innovativen Methoden wie 3D-Druck, Generativem Design und anderen hochmodernen technologischen Verfahren Knochen, Muskeln und Sehnen nach, anstatt, wie im Roboterbau sonst üblich, Gelenke mit Motoren lediglich zu ersetzen.

Für die Entwicklung von Roboy 2.0 nutzt das Team daher Autodesk Fusion 360 mit Generativem Design. Das erlaubt den Wissenschaftlern im sogenannten generativen Designprozess, das Gewicht wichtiger Bauteile des Roboters deutlich zu reduzieren und die Stabilität gleichzeitig zu erhalten.

„Sparen wir in der Hand ein paar Gramm Gewicht, reduzieren sich die Kräfte, die die Hüfte aushalten muss, und wir können sie dementsprechend leichter machen“, so Hostettler. „Dadurch können wir wiederum bei allen weiteren Komponenten Gewicht sparen, was Roboy noch agiler macht.“ Kein Selbstzweck, denn Roboy soll langfristig selbstständig Laufen lernen. Für die ersten Schritte ist ein leichter und trotzdem stabiler Stand Pflicht.

Bei Roboy 2.0. wird Generatives Design aktuell in der Hüfte angewandt. Das Team brauchte aufgrund der Berechnungen in der Cloud nur drei Tage für die Entwicklung der ersten Prototypenversion. Als nächste zu überarbeitende Teile sind die Kopfschale und die Motorgehäuse in Planung. Mittelfristig soll die Wirbelsäule mit den beweglichen Elementen des Roboters optimiert werden.

Agile Kollaboration als Schlüssel zum Erfolg

Autodesk Fusion 360 dient den Forschern nicht nur als Design- und Arbeitsplattform, sondern ermöglicht ihnen darüber hinaus Kollaboration über Standort- und Ländergrenzen hinweg. Das Tool wurde als eine agile Arbeitsumgebung entwickelt, so dass es den Forschern ermöglicht, in kurzen Entwicklungszyklen, so genannten Sprints, zu arbeiten. Alte Versionen können so schnell wiederhergestellt oder zwei Optionen parallel geprüft werden. Agile Methoden helfen hierbei, in dem sie eine hierarchiefreie Kommunikation etablieren und schnelle Interaktion mit Prototypen erlauben. Die einzelnen Projektgruppen können so schnell auf Veränderungen reagieren.

Ein weiterer Vorteil von Autodesk Fusion 360 ist, dass darin erstellte Designs sich für 3D-Druckverfahren eignen. In Fusion erstellte Dateien müssen daher nicht für den Druck aufbereitet werden,

sondern lassen sich direkt ohne Kompilierungsaufwand in 3D-gedruckte Objekte umsetzen.

Bei Roboy 2.0 sind fast alle Teile lasergesintert, das heißt in kunststoffähnlichen Materialien 3D-gedruckt.

„Klassische Frästeile benötigen etwa sechs bis acht Wochen Lieferzeit – eine Ewigkeit in der agilen Produktentwicklung“, erklärte Hostettler. „In diesem Zeitraum haben wir bereits drei bis vier neue Produktvarianten entwickelt.“

Ein weiterer Vorteil: Die Geometriefreiheit des 3D-Drucks erlaubt es dem Team, Bauteile so zu designen, wie sie sein sollten, und nicht, wie sie aufgrund von Fertigungshemmnissen erstellt werden müssen.

Zukunftsmusik mit Praxisbezug

Roboy 2.0 ist ein Beispiel für menschlichen Entwicklungsgeist. Auch wenn der Roboter selbst heute insgesamt primär noch der Grundlagenforschung dient, so haben die im Zuge der Entwicklung gewonnen Erkenntnisse schon heute Auswirkungen auf zahlreiche andere Sparten. Das Projekt findet Anwendung in der Mensch-Roboter-Kollaboration. Auch für die Entwicklung innovativer Prothesen oder Exoskelette hat das Projekt unschätzbaren Wert. Neurowissenschaftler verstehen mit Hilfe der im Roboy-2.0-Projekt gewonnen Erkenntnisse besser, wie der menschliche Körper das Zusammenspiel von über 600 Muskeln koordiniert.

Nach Unterlagen von Autodesk / ag

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