Waseda-Universität, Institut für Humanoide Roboter (HRI)

Die Waseda-Universität ist führend auf dem Forschungsgebiet humanoider Roboter und entwickelte 1973 mit dem WABOT-1 den ersten menschenähnlichen Vollroboter. Im Jahr 2000 gründete die Universität das Institut für Humanoide Roboter (HRI), um Forschungsaktivitäten zu fördern, die neue Beziehungen zwischen Mensch und Maschine in einer modernen Informationsgesellschaft ermöglichen. Unter der Leitung von Atsuo Takanishi, Professor des Fachbereichs Moderner Maschinebau, intensivierte das Institut seine Forschungs- und Entwicklungsbemühungen auf dem Gebiet der humanoiden Robotik. Die in Tokio ansässige Forschungsorganisation hat grundlegende Robotertechnologie entwickelt und dabei viele talentierte Ingenieure und Wissenschaftler gefördert. Das Institut konzentriert sich im Rahmen seiner Forschungsarbeit auf die Entwicklung von Robotern, die mit Menschen interagieren und dabei Routineaufgaben übernehmen, medizinische Dienstleistungen erbringen oder Menschen Gesellschaft leisten. Da diese Roboter mit ihren Partnern in einem menschlichen Umfeld zusammenarbeiten, den gleichen Arbeitsplatz teilen und die gleichen Erfahrungen machen, müssen sie nicht nur wie Menschen aussehen, sondern auch die gleichen Denk- und Verhaltensmuster nutzen. Waseda setzte bei deren Entwicklung zunächst auf 2D-Konstruktionswerkzeuge. 2001 stellte das HRI jedoch fest, dass man eine integrierte 3D-Entwicklungsumgebung benötigte, um die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der humanoiden Robotik voranzutreiben, so der Außerordentliche Professor Kenji Hashimoto. „Unsere Roboter sind komplexe Systeme, für die wir Daten von Sprach-, Mimik- und Bewegungssensoren integrieren müssen, was ein hohes Maß an Kommunikation und koordinierten Aktionen erforderlich macht“, erklärt Hashimoto. „Unsere Teams benötigen umfassende 3D-Konstruktionswerkzeuge, damit wir unsere Ziele erreichen können.“ Nach der Evaluierung mehrerer führender 3D-Konstruktionssysteme entschied sich das Institut für SOLIDWORKS Research und erwarb 60 Lizenzen. Die Wahl fiel auf SOLIDWORKS Research, da die Benutzeroberfläche anwenderfreundlicher ist als die anderer 3D-Pakete und es Zugang zu einer breiten Palette integrierter Konstruktions- und Simulationswerkzeuge bietet.

EINE UMGEBUNG, ZAHLREICHE ROBOTER

Seit der Implementierung von SOLIDWORKS Research im Jahr 2001 konnte HRI die Roboterentwicklung durch Verwendung einer integrierten 3D-Umgebung beschleunigen und mehr als 20 humanoide Roboter fertigstellen. Zu diesen Robotern gehören die Waseda Leg-Serie (zweibeinige Bewegungsapparate für den Transport von Menschen mit Behinderung und Senioren), die Waseda Jaw-Serie (Roboter, die das menschliche Kauverhalten mechanisch simulieren, um die dahinter steckenden zahnmedizinischen Mechanismen zu erfassen), die Waseda Yamanashi-Serie (Roboter für Patienten mit Kieferproblemen, die diesen dabei helfen, Ihren Kiefer zu öffnen und zu schließen), die Waseda Flautist- und Waseda Saxophonist-Serie (Flöte und Saxophon spielende Roboter), die Waseda Talker-Serie (Roboter, die japanische Vokale und Konsonanten mechanisch wiedergeben) und die Waseda Eye- und KOBIAN-Serie (Roboter, die Emotionen ausdrücken können). Weitere Roboter des Instituts sind der WABIAN-2R (ein Roboter, der durch Knieextension mit einem menschenähnlichen Becken sowie Beinmechanismen mit sieben Freiheitsgraden gehen kann), der WAREC-1 (ein Rettungsroboter für Katastrophengebiete mit 28 Freiheitsgraden) und der WL-16 (ein Roboter, der Menschen und andere Lasten bis zu 80 kg tragen kann). „Unser Institut ist dank SOLIDWORKS Research produktiver bei der Roboterentwicklung, da die Software eine Reihe integrierter Funktionen bietet. Damit stieg die Konstruktionseffizienz um das Drei- bis Vierfache“, so Hashimoto. „In 2D konnten wir nur einfache planare Strukturelemente entwerfen. Dank SOLIDWORKS können wir jetzt auch komplexe Roboterteile einfach konstruieren.“

LEICHT, ABER STEIF

Das Instutut hat die größte Herausforderung in der humanoiden Roboterkonstruktion gemeistert – die Reduzierung des Teilegewichts unter Beibehaltung der Steifigkeit – durch den Einsatz integrierter SOLIDWORKS FEM-Werkzeuge. „SOLIDWORKS Simulation ist für die Konstruktion eines Beinroboters unabdingbar, da sein Gewicht so gering wie möglich sein und gleichzeitig ein hohes Maß an Steifigkeit gewährleistet werden muss“, hebt Hashimoto hervor. „Mit SOLIDWORKS können wir im Handumdrehen den Schwerpunkt und das Trägheitsmoment unserer Roboterteile berechnen – Daten, die wir dann für Simulationen verwenden – und Teile in drei Dimensionen auf Interferenzen überprüfen. „SOLIDWORKS Flow Simulation [CFD-Analysesoftware] ist ebenfalls nützlich bei der Entwicklung eines Kühlsystems für Wärmequellen wie Aktoren, Motoren und Antriebe“, fügt Hashimoto hinzu.
 

MECHANISCHE UND ELEKTRISCHE KONSTRUKTION ALS GESAMTLÖSUNG

Die erheblichen Produktivitätsgewinne, die das Institut mit SOLIDWORKS Research erzielen konnte, sind auch auf die integrierten, multidisziplinären Eigenschaften der Software zurückzuführen, die es den Institutsabteilungen ermöglicht, die mechanische, elektrische und thermische Konstruktion gleichzeitig und nicht separat voneinander vorzunehmen. „SOLIDWORKS Technologie ist innovativ, da sich sowohl die mechanische als auch die elektrische Konstruktion in einer einzigen Anwendung vornehmen lassen“, so Hashimoto. „Darüber hinaus sind mit SOLIDWORKS verschiedene Analysen möglich, wie beispielsweise strukturelle FEM-Analysen und thermische Strömungsanalysen“, so Hashimoto weiter. „Um einen komplexen Roboter zu entwickeln, müssen wir nicht nur die mechanische Konstruktion, sondern auch die elektrische und thermische Konstruktion gleichzeitig vornehmen können. Bauteile wie Motor, Untersetzungsgetriebe, Drehgeber usw. müssen auf begrenztem Raum angeordnet werden. Sowohl die Größe als auch das Gewicht müssen reduziert werden, wobei die hohe Steifigkeit jedes Teils beibehalten und wiederholt FEM-Analysen durchgeführt werden müssen. SOLIDWORKS ist in diesem Konstruktionsprozess sehr nützlich.“