Robotertechnik

In diesem Abschnitt finden Sie Informationen zur Hardware - Cobots, Greifer, Kraft-Momenten-Sensoren

Auf dieser Seite finden Sie eine Übersicht verbreiteter Typen von MRK-Robotern (Kobots). Die Roboter werden hierbei nicht nach Herstellern oder Leistungsmerkmalen sortiert, sondern nach dem verwendeten Schutzprinzip für den Schutz des Menschen. Das Schutzprinzip beeinflusst wesentlich die Funktionen und Limitierungen des jeweiligen Kobots. Zu jede Kategorie wird ein beispielhafter Roboter angeführt. Durch Klicken auf das Bild des Roboters gelangen Sie auf die Website des Herstellers, wo Sie weitere technische Spezifikationen erhalten.

Kraftbegrenzte Antriebe

YuMi - IRB14000 [©ABB]

Inhärente Sicherheit durch Antriebsauslegung

Bei dieser Klasse von Robotern erfolgt die Auslegung der Antriebe in einer Weise, die die Sicherheit des Menschen gewährleisten soll. Hierzu wird die Antriebsleistung der Motoren so gewählt, dass diese gerade ausreicht um die Struktur des Roboters und die Last am Endeffektor zu bewegen. Sollte der Roboter mit dem Menschen kollidieren besitzen die Antriebe des Roboters nicht genug Kraft um diesen zu verletzen. Nachteil dieser Methode ist, dass der Roboter eine sehr geringe Traglast und eine schlechte Dynamik aufweist.

Vorteile Nachteile
Hohe Grundsicherheit Geringe Traglast und Prozesskräfte

Einfache Absicherung der Applikation

Niedrige Geschwindigkeit
   

Drehmomentüberwachung

Überwachung externer Kräfte durch Überwachung der Gelenk-Drehmomente

Roboter, welches dieses Sicherheitsprinzip nutzen, verfügen in der Regel über Drehmomentsensoren in jeder Achse. Die Drehmomentsensoren messen das auf die Achse einwirkende Drehmoment. Aus einem mathematischen Modell des Roboters samt Werkzeug und Last sowie dem Bewegungsprofil berechnet die Steuerung das aus der Bewegung resultierende Drehmoment. Die Differenz des gemessenen und des berechneten Drehmoments entspricht dem von außen einwirkenden Drehmoment. Aus dem externen Drehmoment kann durch Kenntniss der Roboterstruktur auf die äußeren Kräfte auf den Roboter geschlossen werden.

Auf diese Weise können zum einen Kollisionen mit dem Menschen oder der Umwelt erkannt werden. Zum anderen können Prozesse mit exakt eingestellter Kraft und Steifigkeit durchgeführt werden.  Diese Feinfühligkeit des Roboters ermöglicht zahlreiche neue Einsatzbereiche.

Vorteile Nachteile
Kraftgeregelte Bewegungen Teurer

Einstellbare Steifigkeit

Begrenze Traglast
Zusätzliche Einsatzgebiete / Funktionen  

LBR iiwa R8 820 [©KUKA AG]


Strukturelle nachgiebigkeit

Roboter gibt im Kollisionsfall nach

Roboter dieser Kategorie enthalten elastische Elemente, welche die im Falle einer Kollision freiwerdene Energie absorbieren sollen. Dies ermöglicht eine Schadensminderung im Falle einer Kollision, da die auf den Menschen übertragene Energie deutlich reduziert wird.In der Regel muss hierfür die Geschwindigkeit des Roboters reduziert werden, was mit einer verschlechterung der Produktivität verbunden ist. Roboter mit struktureller Nachgiebigkeit ermöglichen also in der Theorie höhere Robotergeschwindigkeiten. Bedingt durch die Strukturelle Nachgiebigkeit können diese Roboter Prozesskräft nur sehr eingeschränkt aufnehmen.

Vorteile Nachteile
Erhöhte Robotergeschwindigkeit Niedrige Steifigkeit

Inhärente Sicherheit

Geringe Genauigkeit
   

Zentrale Kraftsensorik

Messung externer Kräfte und Momente durch Sensoren in der Roboterbasis

Bei Robotern mit zentraler Kraft- und Momentensensorik handelt es sich oftmals um konventionelle Industrieroboter, welche mit zusätzlicher Sensorik für den MRK Einsatz nachgerüstet wurden. Als Sensorik wird dabei in der Regel ein 6-Achs Kraft- und Momentensensor im Fuß des Roboters verwendet. Der Sensor misst alle vom Roboter auf die Basis eingeleiteten Kräfte und Momente. Diese werden in der Steuerung des Roboters mit den aus Beschleunigung und Traglast resultierenden Kräften verglichen. Auf diese Weise können extern auf den Roboter einwirkende Kräfte im Bereich der gesamten Armstruktur erkannt werden. Ähnlich wie bei Robotern mit Näherungssensorik liegt ein großer Vorteil dieses Schutzprinzips in der Anwendbarkeit für beliebige Industrieroboter.

Vorteile Nachteile
Hohe erreichbare Traglast Hohes Robotergewicht

Hohe Steifigkeit

Reduzierte Feinfühligkeit
   

CR-35iA [©FANUC]


Strombegrenzung

UR5 [©Universal Robots]

Drehmomentenüberwachung durch Motorstrommessung

Das Sicherheitsprinzip der Strombegrenzung besitzt eine große Ähnlichkeit zu dem der Drehmomentüberwachung. Aus diesem Grund sind sich beide Roboterarten auch sehr ähnlich. Der größte Unterschied zwischen beiden liegt in dem Messverfahren, welches sich beide Roboter zu Nutze machen. Bei Drehmomentüberwachung wird durch eine Momentenmessdose das Antriebsmoment direkt gemessen, während bei Robotern mit Strombegrenzung das Antriebsmoment aus dem Motorstrom berechnet wird. Da der Motorstrom annährend proportional zum Motormoment ist, kann so ohne zusätzliche Sensorik im Arm die äußere Krafteinwirkung gemessen werden. Der Vorteil der Strombegrenzung liegt in der Einfachheit und den damit Verbunden geringeren Kosten. Nachteilig ist die schlechtere Genauigkeit bei der Drehmomentenbestimmung und damit verbunden eine eingeschränkte Regelbarkeit der Kraft und Steifigkeit.

Vorteile Nachteile
Vergleichsweise günstig Steifigkeit schlecht/nicht regelbar

Kraftregelung möglich

Reduzierte Feinfühligkeit
   

Näherungssensorik

Überwachung des Nahfelds um den Roboter mit integrierter Sensorik

Mit Näherungssensorik ausgestattete Roboter verfügen in der Regel über eine sensorische Außenhülle. Durch diese Sensoren (oft kapazitiv) wird die Annäherung des Menschen an den Roboter erkannt. Der Roboter kann somit sicher anhalten noch bevor es zu einer Kollision kommen kann. Da die Sicherheit des Menschen ausschließlich durch die Haut des Roboters gewährleistet wird, kann theoretisch jeder Industrieroboter auf diese Weise MRK-fähig gemacht werden. Ein häufiger Nachteil sind gelegentliche Fehlauslösungen infolge von Messfehlern.

Roboter mit integrierter oder externer Näherungssensorik eignen sich daher besonders für Anwendungen in denen die besonderen Leistungsmerkmale (Steifigkeit, Traglast, Genauigkeit) von Industrierobotern benötigt werden.

Vorteile Nachteile
Erhöhte Robotergeschwindigkeit Mögliche Fehlauslösungen

Hohe Steifigkeit

Erhöhte Robotergeschwindigkeit    
 Vermeidung von Kollisionen  

APAS assistant inline [©BOSCH]


Drucküberwachung

TX2-90L [©Stäubli]

 

Sensorische Haut zur Kollisionserkennung

Vom Funktionsprinzip ähneln Roboter dieser Kategorie sehr stark den Robotern mit Näherungssensorik. Auch in diesem Fall wird ein konventioneller Industrieroboter durch die Ausstattung mit einer externen Sensorik kollaborationsfähig gemacht. Ebenso kann auch ein bereits kollaborationsfähiger Roboter zusätzlich abgesichert werden. Im Falle der Drucküberwachung erkennt die Sensorik allerdings nicht die Annäherung des Menschen. Stattdessen wird erst der Kontakt mit dem Menschen durch einen Druckanstieg in der Außenhaut erkannt. Daher wird diese sensorische Haut in der Regel mit einer Polsterung kombiniert um die Kollisionsenergie zu Dämpfen.

Die Einsatzbereiche der Drucküberwachung liegen besonders bei Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen - sowohl im Bezug auf Sicherheit als auch bezüglich Steifigkeit oder Genauigkeit.

Vorteile Nachteile
Zusätzliche Sicherheit (durch Polsterung) Robotergeschwindigkeit kann nicht erhöht werden

Hohe Steifigkeit

Zusätzliche Kosten
   

Alternative Antriebe

Intrinsische Nachgiebigkeit durch pneumatische Antriebe

Pneumatische Aktoren arbeiten mit Druckluft und werden in den meisten Fällen durch Ventile oder durch das Verändern des Volumens, durch welches gefördert wird, gesteuert. Bei Druckluft als Arbeitsmedium wird durch die Kompressibilität das Volumen verringert und die Dichte wird erhöht. Dadurch kann ein elastisches, abgeschlossenes Luftvolumen hergestellt werden, welche Energie speichert  Der BionicCobot der FESTO AG & Co. KG (vgl. Tabelle 2.13) besitzt einen solchen pneumatischen Antrieb. Zusätzlich zu den generellen Vorteilen pneumatischer Antriebe (siehe Kapitel 2.5.3.1) besitzt der BionicCobot für die direkte Mensch- Roboter-Kollaboration einen weiteren Vorteil: eine systemeigene Nachgiebigkeit. Die zu erzeugende Bewegung lässt sich in Kraft, Steifigkeit und Geschwindigkeit genauestens einstellen, wenn der Aktor mit komprimierter Luft befüllt wird. Dadurch gibt der Roboter bei einer Kollision nach, sodass keine Gefahr für den Menschen besteht.

BionicCobot [©Festo]

 


Greifertechnik

2-Backen-Greifer - Der Standard-Greifer bei MRK

Elektrisch betriebene 2-Backen-Parallelgreifer und 2-Backen-Winkelgreifer kommen aktuell in sehr vielen MRK-Applikationen zum Einsatz. Durch den sehr einfachen Greifmechanismus kann eine große Anzahl verschiedener Objekte gegriffen werden. Durch eine Anpassung der Griffinger ist sowohl ein kraftschlüssiger als auch ein formschlüssiger Griff in vielen Fällen möglich. Die Greifkraft kann dabei elektronisch eingestellt werden und ermöglicht somit eine genaue Anpassung an die Applikation. Aus Sicherheitsgründen ist ein formschlüssiges Greifen in der Regel vorzuziehen, auch weil mit wenigen Ausnahmen die Greifkraft auf unter 140 N beschränkt werden muss.


KoMPI

Technische Universität Dortmund

Institut für Produktionssysteme

 

Ruhr-Universität Bochum

Lehrstuhl für Produktionssysteme

 

SafeMate

Leibniz Universität Hannover

Institut für Fabrikanlagen und Logistik

 

Leibniz Universität Hannover

Institut für Montagetechnik

 



Förderhinweis

Diese Forschungs- und Entwicklungsprojekte (KUKoMo 02P15A02x, KoMPI 02P15A06x, SafeMate 02P15A08x) wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.