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| Redakteur: MM

Innovative Komponentenentwicklungen dienen als Basis für einen modularen Leichtbauroboter. Zur Erhaltung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit und der Sicherung der Arbeitsplätze eines auf Export...

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( Archiv: Vogel Business Media )

Innovative Komponentenentwicklungen dienen als Basis für einen modularen Leichtbauroboter. Zur Erhaltung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit und der Sicherung der Arbeitsplätze eines auf Export ausgerichteten Hochlohnlandes sind innovative Produkte notwendig, die sich durch ihre herausragenden Leistungs- und Qualitätseigenschaften am internationalen Markt hervorheben. Bei der Robotertechnik kam es in den vergangenen Jahren trotz zunehmender Absatzzahlen aufgrund des steigenden Kosten- und Leistungsdruckes zu einem stetigen Rückgang der Gewinnmargen bei den Roboterherstellern und ihren Komponentenlieferanten. Dies führte insbesondere bei kleinen und mittelständischen Unternehmen zu einer zunehmenden Einschränkung ihrer industriellen Entwicklungsaktivitäten auf Bereiche mit begrenztem Risiko und günstigem Verhältnis von Nutzungspotentialen zu Forschungs- und Entwicklungskosten. In der Konsequenz bedeutet dies eine Fokussierung auf traditionelle Anwendungsbereiche in strukturierten Umgebungen mit Aufgabenstellungen, die nur eingeschränkte Anforderungen an die Sensorik und die Fähigkeit zum autonomen Handeln stellen. Langfristig würde dieser Trend zu einer Stagnation der Technikentwicklung führen. Insbesondere in einem großen Zukunftsmarkt potentieller Anwendungsbereiche, die erweiterte Anforderungen an die Sensorik und Intelligenz zukünftiger Robotersysteme stellen, würde dies zum Verlust der Konkurrenzfähigkeit und von Marktanteilen deutscher Unternehmen führen.Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt Lissy (Leichtbauarm mit innovativen Sensoren und sensorbasierten Steuerungssystemen) hat als Zielsetzung, durch die Bereitstellung von innovativen, vielseitigen Roboter-komponenten die industrielle Um-setzung von neuen, flexibleren Robotersystemen zu beschleunigen. Für die Bereiche Sensorik und Steuerung sowie elektromechanische Komponenten wurden die nachfolgend angeführten Roboterkomponenten entwickelt: - kompakte, leistungsfähige Sensoren, - modulare, hochintegrierte Antriebe, - neue Steuerungs- und Regelungsverfahren und - leistungsfähige Leichtbauroboter. Am Lissy-Projekt waren folgende Partner beteiligt: Amtec GmbH, Astrium AG, ATB Bremen GmbH, Daimler-Chrysler AG, DLR, Kuka Roboter GmbH, Reis Robotics und Wittenstein Motion Control GmbH. Für den erweiterten Robotereinsatz in dynamischer, nicht determinierter Umgebung im Industrie- und Servicebereich wurde von Astrium und Daimler-Chrysler eine kompakte monookulare Entfernungsbildkamera mit leistungsstarker Laserbeleuchtung (120 W) entwickelt, die in Echtzeit (20 Hz) 3D-Informationen erfasst. Prototypen der Kamera wurden in unterschiedlichen Anwendungsszenarien getestet.Bei der sensorgesteuerten Depalettierung willkürlich angeordneter Teile aus Transportbehältnissen zeichnete sich die Entfernungsbildkamera durch ihre hohen Sensordatenraten und Zuverlässigkeit für eine Produktumsetzung aus. Schnelle Datenverarbeitung für den EchtzeitbetriebBasierend auf dem Vorbild der Retina von Wirbeltieren wurde bei Daimler-Chrysler ein vielseitiges Stereokamerasystem in analoger Parallelrechentechnik entwickelt. Effiziente Bildverarbeitungseinhei-ten in analoger Schaltungstechnik ermöglichen eine schnelle, selbständige Entfernungsbestimmung und Kontrastadaption auch bei stark schwankenden Lichtverhältnissen. Diese Technik in Verbindung mit optimierten Verarbeitungsalgorithmen eröffnet ein breites Feld von Anwendungen, zum Beispiel die robuste und zuverlässige Objekterkennung durch kontrastreiche Sensordaten. Eine schnelle integrierte Datenverarbeitung für den Betrieb in Echtzeit (25 Hz) sowie geringe Abmessungen (72 mm 3 32 mm 3 42 mm, 180 g) und zuverlässige Mechanik zeichnen den von der DLR entwickelten miniaturisierten Laserscanner aus. Mit Hilfe des Triangulationsprinzips liefert er weitestgehend unabhängig von Lichtverhältnissen Entfernungsinformationen im Messbereich von 270°. Die miniaturisierte Bauform und die CAN-Bus-Schnittstelle zur Steuerung des Sensors und Übermittlung der Sensordaten erlauben eine einfache Integration in sensorgeführten An-wendungen. Kostengünstige Komponenten und ein optoelektronisches Messsystem bilden die Grundlage des von der DLR entwickelten 6-dimensionalen Kraft-Drehmomentensensors. Die integrierte Auswerteelektronik liefert Messwerte mit hoher Genauigkeit in Echtzeit (4 kHz). Dies ermöglicht mit geeigneten Regelungsstrategien ein feinfühliges Interagieren des Roboters mit der Außenwelt. Beispielsweise kann so ein Fügevorgang mit hoher Genauigkeit und gesteuerter Nachgiebigkeit erfolgen. Zusätzliche Eigenschaften wie weitestgehende Verschleißfreiheit und Überlastungsschutz begünstigen den industriellen Einsatz. Der Sensor wurde von der Schunk GmbH & Co. KG lizensiert und in ihr Produktangebot aufgenommen. Entwicklungen ermöglichen sensorgeführte MontageZur Vereinfachung der Integration von neuen Sensoren in bestehende Robotersysteme wurde von Kuka in Zusammenarbeit mit dem DLR eine vielseitige und einfach programmierbare multifunktionale Sensorschnittstelle entwickelt. Sie ermöglicht die Integration mit komfortablen Softwareschnittstellen. Die Flexibilität der Lösung erlaubt über eine objektorientierte Befehlsbibliothek die Integration unterschiedlicher Sensoren im Benutzerprogramm und stellt hierfür die Unterstützung verschiedener standardisierter Bus-Systeme bereit. Die multifunktionale Sensorschnittstelle ist mittlerweile als kommerzielles Produkt mit der Bezeichnung Kuka Remote Sensor Interface erhältlich. Unter Verwendung der Komponenten miniaturisierter Laserscanner, Kraft-Momentensensor und multifunktionaler Sensorschnittstellen realisierten Kuka und DLR das industrielle Anwendungsszenario sensorgeführter Montage. Die Aufgabenstellung aus der Automobilindustrie beinhaltete das Einfügen von Kolben in einen am Band vorbeilaufenden Motorblock. Diese Aufgabe stellt hohe Anforderungen an die Modularität und Flexibilität des automatischen robotergeführten Fügeprozesses. Mit robuster, redundanter Sensordatenerfassung und einer intelligenten Impedanzregelung wurde eine Lösung realisiert. Ein weiteres Anwendungsbeispiel für die Komponenten mit sensorisch geführten Robotern entstand in der Zusammenarbeit von Astrium und Amtec: der Griff in die Kiste mit der Entnahme von willkürlich angeordneten Filtertöpfen aus einem Transportbehälter. Die Aufgabe stellt wegen der unstrukturierten Situation hohe Anforderungen an Objekterkennung und Greifstrategie. Eingesetzt wurde ein Kamera-Array, das in Verbindung mit ausgereiften Algorithmen die Tiefeninformationen und Greifpunkte auch bei unterschiedlichen Belichtungszuständen zuverlässig bestimmt. Zusätzlich bildeten ein modulares Softwaresystem und der CAN-Bus die Grundlage für eine robotergeführte Lösung. ATB und Reis Robotics entwickelten ein Modul zur modellgestützten, dynamischen Vorsteuerung und konfigurationsabhängigen Reglerparameternachführung für Industrieroboter. Das Vorsteuerungsmodul berechnet online aus der Weg-Zeit-Funktion der Führungsgröße mit einem nichtlinearen dynamischen Robotermodell die notwendigen Achsstellgrößen und Stellströme. Integriert in die Reis-Robotersteuerung bewirkte die direkte Aufschaltung der Stellgrößen, dass im Falle kritischer Bahnbereiche eine Reduzierung der Bahnabweichungsfehler um etwa 50% erreicht wurde. Der Einsatz der modellbasierten Vorsteuerungs- und Regelungsverfahren ist in neuen Roboterserien von Reis geplant.Verfahrzeit des Roboters wurde um 70% reduziertFür die optimale Bahnplanung von Industrierobotern entwickelten ATB und Reis Robotics, basierend auf einem dynamischen, nichtlinearen Robotermodell, ein rechenzeiteffizientes Optimierungsmodul. Es berechnet beispielsweise für vorgegebene Grenzdaten die schnellstmögliche Verfahrgeschwindigkeit längs der programmierten Raumkurve. Diesbezügliche Tests mit einem realen Reis-Roboter ergaben, dass im Vergleich zur manuellen Optimierung bei gleichzeitig verkürzter Programmierzeit eine bis zu 70% geringere Verfahrzeit erreicht werden kann, ohne dass zulässige Belastungen überschritten werden. Leichtere, kompaktere und dabei leistungsfähigere Roboterantriebe für Industrie- und Service-Roboter bildeten die Zielsetzung für neue Getriebe und Antriebskonzepte, die in LISSY bis zur industriellen Tauglichkeit weiterentwickelt wurden. DLR konzipierte ein kompaktes integriertes Antriebsmodul, das in einem Gehäuse ein Doppelplanetengetriebe mit hoher Übersetzung (Ü=516), einen hochdynamischen Scheibenläufer-Schrittmotor, eine integrierte Drehmomentsensorik und die zugehörige Ansteuerungs- und Leistungselektronik beinhaltet. Durch die kompakte Bauform des Gehäuses eignet sich der integrierte Antrieb als Achsmodul für applikationsspezifische Kinematiken, insbesondere für Leichtbauroboterkinematiken. Beruhend auf der integrierten Drehmomentsensorik kann eine effektive aktive Schwingungsdämpfung der mechanischen Roboterstruktur realisiert werden. In Zusammenarbeit von Daimler-Chrysler mit Astrium wurden Prototypen eines Wanderwellenmotors erstellt und dessen Verwertbarkeit als Roboterantrieb getestet. Der Wanderwellenmotor, konzipiert als Direktantrieb, besticht durch ein hohes Drehmoment (35 Nm) bei geringer Baugröße, ein hohes Haltemoment (100 Nm) ohne Stromzufuhr und eine sehr geringe Geräuschentwicklung im Betrieb. Damit eignet er sich insbesondere für den Einsatz in Service-Roboteranwendungen. Der Wanderwellenmotor wurde im Projektrahmen mit einem neuartigen Steuerungsverfahren an einem Leichtbauroboter erfolgreich getestet. DLR entwickelte als Spindelantrieb ein kompaktes integriertes Linearmodul, das sich durch ein kleines Bauvolumen (104 mm 3 50 mm 3 50 mm, 735 g), hohe Stellkräfte (1 3 103 N) und hohe Positioniergenauigkeit (1 3 10-3 mm) auszeichnet. Kraft-, Positionssensorik und Ansteuerung zusammen mit dem Antrieb befinden sich in einem Gehäuse. Zusätzlich verfügt das Linearmodul über eine integrierte Kraftregelung mit hoher Regelungsbandbreite (20 Hz). Kooperationen mit BMW, Kuka und ARO bestätigen, dass das Einsatzspektrum des hochintegrierten mechatronischen Spindelantriebs auch außerhalb der Robotik sehr umfangreich ist. Modularer Leichtbauarm für den ServicebereichDie Projektpartner Wittenstein Motion Control und Kuka Roboter befassten sich mit der Entwicklung und Erprobung von hochintegrierter, dezentraler Antriebstechnik bei Industrierobotern. Die Antriebsmodule vereinen in einem Gehäuse dynamische elektromechanische Antriebe mit hohem Leistungsgewicht (194 Nm/kg) und geringem Trägheitsmoment, Getriebe mit hoher Übersetzung (Ü=385) und hoher Verdreh- und Kippsteifigkeit sowie eine kompakte Steuerungseinheit mit integrierter Regelungs-, Leistungselektronik und Feldbus-Schnittstelle. Durch diese Antriebstechnik konnte bei der Steuerschrankgröße eine Reduzierung um 30% und bei der Verkabelung eine drastische Reduzierung von 104 auf 7 Adern erzielt werden. Unterschiedliche Lösungsansätze für Leichtbauroboter wurden von den Projektpartnern Astrium, Amtec und DLR realisiert und in Versuchen validiert. Der von Astrium vorrangig für den Servicebereich entwickelte frei konfigurierbare Leichtbauarm zeichnet sich aus durch modulare Bauweise, geringen Bauraum durch kompakte Antriebsmodule (Länge 150 mm, Durchmesser 155 mm), hohes Last-zu-Eigengewicht-Verhältnis von 10 zu 24,3 kg, einfache Busanbindung und in Antriebsmodule integrierte Leistungs- und Steuerungselektronik. Dieses Leichtbaukonzept wurde an einem Robotersystem mit sechs Antriebsmodulen, die bis auf die Getriebeübersetzung baugleich sind, verifiziert. Außerdem wurde der bereits beschriebene Wanderwellenmotor in einer Achse des Leichtbauarms mit Erfolg getestet. Die Optimierung des Last-zu-Eigengewicht-Verhältnisses und die Erprobung eines modularen Leichtbauroboters im industriellen Dauereinsatz für Prüffeldaufgaben waren die vorrangigen Ziele, die von Amtec im Rahmen des Projektes verfolgt wurden. Die Leistungsfähigkeit des Leichtbauroboters konnte mit einem Last-zu-Eigengewicht-Verhältnis von 10 kg zu 18 kg wesentlich gesteigert werden. Für Anwendungen vorrangig in der Servicerobotik wurde bei DLR ein redundanter Leichtbauroboter mit Momentensensorik entwickelt. Seine wesentlichen Merkmale sind ein Last-zu-Eigengewicht-Verhältnis von 8 zu 17 kg, eine hohe Beweglichkeit durch ein redundantes Gelenk, ein niedriger Energieverbrauch, eine vollständig in die Antriebsmodule integrierte Leistungs- und Steuerungselektronik und eine abtriebsseitige Drehmomenten- und Positionssensorik. Die integrierte Drehmomentensensorik und -regelung erlaubt auch die Kontrolle über die Steifigkeit des Systems, wodurch die Verletzungsgefahr bei Kollisionen mit Personen reduziert wird. Mit diesen Eigenschaften ist beispielsweise ein Roboter für mobile autonome Systeme, die im menschlichen Umfeld operieren, geschaffen worden.