Mobile Assistenten

von Bernhard Foitzik

Immer mehr werden Roboterarme tatsächlich zu kinematischen Gebilden, die einem menschlichen Arm ähnlicher werden. Sie werden nicht nur beweglicher, sondern auch leichter. Leichtbauarme als Helfer beim Prüfen, Messen und Überwachen – Entwickler sind da ziemlich erfinderisch

Zahlreiche Wissenschaftler arbeiten an visionären Szenarien, in denen mehrere mobile Roboter im Team selbstorganisiert Aufgaben erledigen. Derweil etablieren sich Leichtbaulösungen höchst real in der industriellen Praxis oder sind jedenfalls kurz davor. Modular aufgebaute Leichtbauarme leisten dabei zweierlei: Sie sind beinahe so geschickt wie ihr menschliches Pendant. Und sie lassen sich aufgrund ihres Gewichts und ihrer Energieversorgung sogar mobil einsetzen. Ideale Voraussetzungen also, um im industriellen Umfeld Routine- und Assistenzaufgaben beim Prüfen, Messen und Überwachen zu übernehmen. Das Gute: Aufgrund der steigenden Nachfrage und der zunehmenden Stückzahlen werden die hochflexiblen Lösungen mittlerweile sogar für Breitenanwendungen erschwinglich. Deutlich über 50.000 Roboter werden allein in Deutschland in der Automobilindustrie eingesetzt. Jetzt steht die nächste Stufe bevor: Roboter finden den Weg heraus aus ihrem Käfig und unterstützen Menschen in direkter Interaktion bei ihrer Arbeit. Während konventionelle Industrieroboter auf hohe Geschwindigkeiten und Traglasten ausgelegt sind, stehen bei mobilen Serviceapplikationen ein niedriger Energieverbrauch und ein geringes Eigengewicht im Vordergrund. Hinzu kommen Sicherheitsaspekte für die Kooperation zwischen Mensch und Maschine. Um komplexe Zusammenhänge erfassen, bewerten und innerhalb kürzester Zeit Bewegungen und Handlungen darauf anpassen zu können, ist ein vielschichtiges technisches Zusammenspiel erforderlich: Lasermess- und Bildverarbeitungssysteme sorgen für eine berührungslose Wahrnehmung der Umwelt. Sensoren erfassen Kräfte, Momente, Druck oder Reibung. All dies ermöglicht, dass sich Roboter gefahrlos frei bewegen und Manipulationsaufgaben erledigen können.

Modulare Lösungen: wirtschaftlich und flexibel

Aktuell zeigt sich, dass selbst ausgereifte Technik immer erschwinglicher wird, ein klares Indiz, dass sich die Systeme immer weiter etablieren. Die Leistungsfähigkeit der Akkus für den mobilen Einsatz steigt, die Rechenleistung nimmt zu und Sensoren arbeiten immer zuverlässiger. Zugleich werden die Komponenten immer leichter und benötigen trotz höherer Leistung immer weniger Platz. Die Grenzen zwischen Forschung und industriellem Einsatz verschwimmen zusehends. So mancher Industriebetrieb erkennt mittlerweile die Potenziale der mobilen Helfer. Als Kompetenzführer in Spanntechnik und Automation hat Schunk, Lauffen am Neckar, bereits vor Jahren die Möglichkeiten der Servicerobotik erkannt. Heute gilt das Unternehmen als Pionier der Modularen Robotik. Der Gedanke dahinter ist überzeugend: Anwendern, Systementwicklern und Lösungsanbietern soll ein umfangreicher, praxiserprobter Baukasten mechatronischer Module zur Verfügung stehen, den sie individuell kombinieren können. Ein riesiger Fundus, um innerhalb kürzester Zeit qualitativ hochwertige, industrietaugliche Lösungen zu vergleichsweise niedrigen Kosten zu realisieren. So vereint der Leichtbauarm LWA-4 zwei zentrale Aspekte: Er ist leicht und er kann verhältnismäßig große Lasten zügig bewegen. Seine hochsteife Konstruktion und die leistungsstarken Antriebe machen ihn nach Angaben des Unternehmens zum Leichtbauarm mit der höchsten Leistungsdichte am internationalen Markt. Er verfügt inklusive Steuerung und Stromversorgung über ein Eigenmasse/Traglast-Verhältnis besser 2:1 und kann Massen bis 10 kg bei voller Dynamik handhaben. Der modular aufgebaute Arm lässt sich anwendungsspezifisch konfigurieren und damit optimal an unterschiedlichste Aufgaben anpassen.

Sieben Freiheitsgrade

Aufgrund seiner hohen Steifigkeit und Präzision erreicht der LWA-4 eine hohe Wiederholgenauigkeit von ± 0,1 mm. Damit ist er sogar für Mess- und Prüfaufgaben geeignet. Beim Menschen abgeschaut sind die sieben Freiheitsgrade des Arms, die ihn geschickt agieren lassen. Mit ihnen können alle Lagen und Orientierungen angefahren werden. Selbst ein Hintergreifen ist möglich. Wer es weniger komplex mag oder schlichtweg weniger Funktionalität benötigt, kann auch eine Variante mit sechs Freiheitsgraden wählen. Auf der anderen Seite ist es möglich, für anspruchsvolle Aufgaben beispielsweise eine Dreifingerhand mit dem Arm zu kombinieren und damit weitere sieben Freiheitsgrade zu erhalten. Die komplette Steuer- und Regelelektronik des Arms ist in seinen Gelenkantrieb integriert. Position, Geschwindigkeit und Drehmoment sind flexibel regelbar. Dank integrierter Intelligenz, universellen Kommunikationsschnittstellen und Kabeltechnik für Datenübertragung und Spannungsversorgung lässt er sich besonders schnell und einfach in bestehende Steuerungskonzepte einbinden. Der Arm kann zudem von embedded PCs gesteuert werden. Um den Energieverbrauch zu minimieren und die Sicherheit für den Menschen zu erhöhen, wird er von einer 24 V DC Stromversorgung gespeist. Aufgrund der leichten, hochsteifen Konstruktion arbeitet er besonders energieeffizient, was sich bei mobilen Einsätzen in Form langer Laufzeiten auszahlt.

„PowerBall“ vereint zwei Achsen auf engstem Raum

Im Juni hat Schunk auf der Automatica ein weiteres Modul für die Modulare Robotik vorgestellt. Der SPB aus der neuen PowerBall-Baureihe vereint die Bewegungen zweier Achsen miteinander. Während bisher immer zwei Drehmodule kombiniert werden mussten, um Bewegungen mit zwei Freiheitsgraden zu ermöglichen, genügt künftig ein kompakter und beweglicher Powerball. So kann aus nur drei SPB-Modulen ein individueller Leichtbauarm mit sechs Freiheitsgraden und einer Traglast von bis zu 3 kg konfiguriert werden. Die beiden integrierten Servoachsen des leistungsdichten Moduls erzielen jeweils Drehmomente zwischen 7 und 64 Nm. Mit seinem Drehwinkel zwischen -170 und + 170° erreicht es sehr flexible Bewegungsabläufe. Position, Geschwindigkeit und Drehmoment sind dabei frei einstellbar. Über ein Schnellwechselsystem und Steckverbinder mit integrierter Signaldurchleitung lässt es sich ohne aufwändige Verkabelung schnell und einfach per Plug & Work in Betrieb nehmen. Bei der Entwicklung des PowerBall hatten die Ingenieure von Schunk neben der ausgeklügelten Technik auch die Kosten fest im Blick. Verglichen mit einem bisherigen Leichtbauarm sinkt der Preis beim Leichtbauarm aus SPB-Modulen um rund 50 Prozent – ideale Voraussetzungen also, um auch Breitenanwendungen den Weg zu bahnen.

Robuste und geschickte Dreifingerhand

Ob LWA oder PowerBall-Arm: Passend zur jeweiligen Greifoperation können Anwender aus einem umfassenden Programm mechatronischer Greifmodule wählen. Vom Miniaturgreifer, über den Langhubgreifer bis zur Greifhand mit drei beweglichen Fingern, sieben Freiheitsgraden und entsprechender Sensorik reicht das Spektrum. Die Dreifingerhand ist beinahe so geschickt wie ihr menschliches Vorbild mit fünf Fingern. Sie beherrscht unter anderem die industriellen Griffarten „Dreifinger zentrisch“, „Zweifinger parallel“ und „Zylindergriff“ sowie viele weitere Variationen. Sie kann unterschiedlichste Objekte ohne Umrüsten greifen und positionieren.

Mensch und Roboter arbeiten Hand in Hand

Damit ist sie deutlich im Vorteil gegenüber herkömmlichen industriellen Greifsystemen, die angepasst oder gar gewechselt werden müssen. Über integrierte taktile Sensoren lassen sich sowohl Greifkraft als auch Greiffläche überwachen – beste Bedingungen, um bei einem ungünstigen Griff nachzugreifen oder die Greifkraft anzupassen. So können selbst sensible Werkstücke mit unterschiedlichen Geometrien zuverlässig und sicher gehandhabt werden. Das Baukastensystem für die Modulare Robotik hat einen entscheidenden Vorteil: Mit minimalem Konstruktions- und Programmieraufwand können selbst komplexe Systeme und Roboterstrukturen mit mehreren Freiheitsgraden realisiert werden. Um aus der Vielzahl vorhandener Module maßgeschneidete individuelle Lösungen zu konstruieren, wurde das Software-Tool „Viro-Con“ entwickelt. Dieser Konfigurator unterstützt Anwender dabei, aus einzelnen Modulen ein komplettes System aufzubauen und seine Eignung für spezielle Aufgaben zu prüfen. Die Module und Leichtbauarme von Schunk werden in unterschiedlichsten Applikationen erfolgreich eingesetzt. So beispielsweise in industriellen Laboranwendungen, wo sie Proben auf Prüfstationen verteilen, nach der Analyse wieder entnehmen und anschließend geordnet ablegen oder die nächste Prüfstation damit bestücken. Statt abgeschirmt in einer Zelle, bewegt sich der Modulare Roboter dabei entweder auf einem mobilen Schlitten oder auf einer mobilen Plattform unmittelbar im gleichen Raum wie die Labormitarbeiter. Diese Art der Mensch-Maschine-Kooperation ermöglicht ein Höchstmaß an Flexibilität und Wirtschaftlichkeit. Während Routinen von der Serviceapplikation automatisiert abgewickelt werden, erledigen die Mitarbeiter zur gleichen Zeit im gleichen Raum und an den gleichen Geräten individuelle Aufgaben. Der Roboter wird zu einem flexibel einsetzbaren Werkzeug, auf das bei Bedarf zurückgegriffen wird. Er unterstützt den Prozess, ohne ihn komplett zu bestimmen.

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