Humanoide Roboter verfügen über Gelenke, mit denen sie laufen, greifen und ihre Arme bewegen können. Hinter diesen Bewegungen stehen Aktuatoren mit Motoren, Getrieben und Lagern. Um diese Komponenten zu schützen, werden an verschiedenen Stellen Dichtungen benötigt. Sie halten Schmierstoffe im Antrieb zurück und begrenzen das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz. Welche Dichtung eingesetzt wird, hängt vor allem von der Konstruktion ab: Eine statische Gehäusefuge erfordert eine andere Dichtungslösung als eine rotierende Welle. Daher kommen in humanoiden Robotern sowohl herkömmliche O-Ringe als auch speziell entwickelte dynamische Dichtungen infrage.
Die meisten modernen humanoiden Roboter verwenden elektrische Aktuatoren. Ein Elektromotor treibt das Gelenk über ein Getriebe an. Innerhalb dieses Getriebes sorgen Fett oder Öl für die Schmierung der Zahnräder und Lager. Wenn der Schmierstoff austritt, steigt das Verschleißrisiko. Gleichzeitig können Staub und Feuchtigkeit von außen Schäden verursachen. Dichtungen schützen daher vor allem die Übergänge zwischen feststehenden Gehäuseteilen und beweglichen Wellen. Bei der Auswahl einer Dichtung geht es um mehr als nur die Vermeidung von Leckagen: Eine dynamische Dichtung erzeugt auch einen Widerstand an der bewegten Komponente. Bei einem Roboter mit Dutzenden von Aktuatoren ist diese zusätzliche Reibung für die Motorbelastung und den Energieverbrauch relevant. Die Dichtung muss daher sowohl zur Bewegungsart als auch zum gewünschten Schutz passen.
Schultern, Ellbogen, Handgelenke, Hüften, Knie und Knöchel enthalten Antriebssysteme, mit denen der Roboter seine Körperhaltung und Bewegungen steuert. Bei einem elektrisch angetriebenen Gelenk können Dichtungen rund um die Abtriebswelle, am Getriebe und zwischen Gehäuseteilen eingesetzt werden. Auch kompakte Hände und Finger können über geschützte Gelenkschnittstellen verfügen. In Batteriemodulen und Elektronikgehäusen spielen Dichtungen ebenfalls eine Rolle, wobei hier der Schutz des Gehäuses im Vordergrund steht. Die genaue Anordnung unterscheidet sich je nach Hersteller: Nicht jedes Gelenk verfügt über das gleiche Getriebe oder die gleiche Dichtungslösung. Deshalb ist es sinnvoll, die Funktion jedes Dichtungsprofils einzeln zu betrachten, anstatt eine einzige Lösung für alle Robotergelenke anzunehmen.
Innerhalb eines Aktuators können mehrere Dichtungsprinzipien nebeneinander eingesetzt werden. Statische Verbindungen erfordern eine zuverlässige Abdichtung ohne Relativbewegung. Bei Wellen und Gelenken steht dagegen der kontrollierte Kontakt während der Bewegung im Vordergrund. Freudenberg Sealing Technologies nennt für humanoide Roboter unter anderem O-Ringe, PSS Sinus Seals, IPSR-Dichtungen und kompakte PTFE Wafer Seals. Einige dieser Lösungen werden nachweislich bereits in humanoiden Robotern eingesetzt, während andere als technisch geeignete Optionen vorgestellt werden. Die folgenden Dichtungstypen erfüllen jeweils eine eigene Funktion.
O-Ringe können Aktuatorgehäuse, Abdeckplatten und andere statische Verbindungen abdichten. Der Elastomerring wird in einer Nut zusammengedrückt, sodass zwischen den Kontaktflächen eine Abdichtung entsteht. Bei der Auswahl sind die Nutabmessungen, das Material und der verwendete Schmierstoff entscheidend. Ein Standard-O-Ring ist in der Regel nicht die erste Wahl als primäre Dichtung für eine kontinuierlich rotierende Welle. Hierfür werden üblicherweise spezielle dynamische Dichtungsprofile eingesetzt.
Radialwellendichtringe dichten die Stelle ab, an der eine rotierende Welle aus einem feststehenden Gehäuse austritt. Dadurch bleiben Öl oder Fett im Getriebe. Die PSS Sinus Seal ist eine spezielle Dichtungslösung von Freudenberg mit einer sinusförmigen Dichtlippe. Nach Angaben des Herstellers hat sich diese Technologie bereits in Motoren und Getrieben von Industrierobotern bewährt. PSS wird als mögliche Lösung für Antriebe humanoider Roboter genannt. Das bedeutet jedoch nicht, dass jeder humanoide Roboter diesen Dichtungstyp verwendet.
IPSR steht für Ingress Protection Seals for Robotics. Diese Dichtungsprofile schützen bewegliche Schnittstellen vor Wasser und Schmutz, unter anderem in kompakten Gelenken. Laut Freudenberg wird eine IPSR-Dichtung bereits von einem Hersteller humanoider Roboter eingesetzt. Die Konstruktion ist auf begrenzten Einbauraum, geringe Reibung und die Aufnahme bestimmter Relativbewegungen ausgelegt. Die Schutzart des gesamten Gelenks hängt jedoch auch von der übrigen Gehäusekonstruktion ab.
PTFE Wafer Seals sind dünne Dichtungen, die Schmierstoffe innerhalb eines kompakten Antriebssystems zurückhalten können. Ihre flache Bauform ist besonders interessant, wenn nur wenig axialer Einbauraum zur Verfügung steht. PTFE verfügt über günstige Gleiteigenschaften, die tatsächliche Reibung wird jedoch auch durch die Profilgeometrie, den Anpressdruck und die Lauffläche bestimmt. Die Eignung dieser Dichtungen für einen bestimmten Aktuator muss daher durch Konstruktion und Prüfungen nachgewiesen werden.
Für statische O-Ringe können NBR und FKM geeignete Optionen sein, abhängig vom Schmierfett, der Temperatur und den Betriebsbedingungen. NBR-O-Ringe werden häufig bei Anwendungen mit kompatiblen Mineralölen und Fetten eingesetzt. FKM kann bei bestimmten höheren Temperaturen und chemischen Belastungen Vorteile bieten. PTFE ist für spezielle gleitende Dichtungen relevant, während Polyurethan in verschleißfest ausgelegten Dichtungsprofilen zum Einsatz kommt. Die Materialfamilie allein reicht jedoch nicht aus, um die Eignung zu beurteilen. Für humanoide Roboter muss die genaue Werkstoffmischung hinsichtlich Schmierstoff, Temperatur, Kontaktbelastung und Bewegungsart geprüft werden. Auch die Montage und die Nutgeometrie spielen eine Rolle. Schließlich gewährleistet ein geeignetes Material in einem ungeeigneten Dichtungsprofil nicht automatisch eine zuverlässige Abdichtung.
Die wichtigste konstruktive Abwägung bei dynamischen Dichtungen in Robotern besteht darin, wie viel Anpressdruck für eine zuverlässige Abdichtung erforderlich ist, ohne unnötige Reibung zu verursachen. Ein höherer Widerstand erhöht den Energiebedarf des Antriebs und kann kleine, präzise geregelte Bewegungen beeinflussen. Der Verschleiß hängt außerdem von der Schmierung, der Oberflächenrauheit, der Ausrichtung und der Anzahl der Bewegungszyklen ab. Bei einer Inspektion können Fettspuren rund um eine Welle oder Verunreinigungen im Gehäuse auf ein Dichtungsproblem hinweisen. Die tatsächliche Ursache muss jedoch gesondert ermittelt werden. Für humanoide Roboter, die sich über längere Zeiträume unter wechselnden Bedingungen bewegen, sind Prüfungen unter realen Betriebsbelastungen wichtiger als eine allgemeine Angabe zur Lebensdauer des Materials. So lässt sich feststellen, ob die Dichtung im gesamten Aktuator ordnungsgemäß funktioniert.
Je nach Konstruktion werden unter anderem O-Ringe, Radialwellendichtringe, IPSR-Profile und PTFE Wafer Seals eingesetzt oder in Betracht gezogen. Jeder Dichtungstyp erfüllt eine andere Funktion.
Beispielsweise zwischen feststehenden Aktuatorgehäusen und Abdeckungen. Für eine rotierende Welle wird in der Regel eine spezielle dynamische Dichtung ausgewählt.
Eine IPSR-Dichtung schützt bewegliche Gelenkschnittstellen vor Feuchtigkeit und Schmutz. Freudenberg berichtet, dass dieser Dichtungstyp bereits in humanoiden Robotern eingesetzt wird.
Reibung erhöht den Energiebedarf des Aktuators und kann die Regelung kleiner Bewegungen beeinflussen. Eine dynamische Dichtung muss daher ausreichend Schutz bieten, ohne unnötigen Widerstand zu erzeugen.
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