Embedded-Systeme für kollaborative Robotik

Ausgeklügelte Sensorik und moderne Steuerungstechnik machen echte Teamarbeit von Mensch und Roboter heute bereits möglich. Man spricht hier von kollaborativer Robotik – und entsprechende Roboter werden als Cobots bezeichnet. Neben dem Einsatz von Cobots am Fließband und an der Werkbank sind mobile Roboter mit autonomer Navigation, sogenannte fahrerlose Transportsysteme, eine weitere vielversprechende Einsatzmöglichkeit der kollaborativen Robotik. Diese dürfen nicht mit Hindernissen zusammenstoßen, insbesondere mit Menschen, die eine Fahrstraße in der Werkshalle kreuzen, oder mit anderen Fahrzeugen.

Kollisionen zu vermeiden – in diesem Fall mit den Menschen – gilt es auch beim stationären Einsatz an der Werkbank. Cobots müssen daher anderen Anforderungen gerecht werden im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern, die auf Wiederholgenauigkeit, Schnelligkeit und auf das Bewegen großer Lasten ausgelegt sind. Bei ihren kollaborativen Artgenossen stehen demgegenüber geringere Kräfte, mehr Nachgiebigkeit und die Anpassung an menschliche Arbeitsgeschwindigkeiten im Vordergrund. Hinzu kommt die höhere Beweglichkeit. Während die Roboterarme herkömmlicher Industrieroboter mit sechs oder auch weniger Achsen auskommen, sind es bei Cobots oft sieben Achsen, orientiert am menschlichen Bewegungsapparat.

Sensiblere Sicherheitstechnik bei Cobots

Beispielbild für eine intelligente Achse, bei der die Antriebssteuerung (Motion Control) direkt an der Achse erfolgt. Synapticon

Eine weitere Konstruktionsanforderung ist die sensiblere Sicherheitstechnik. Herkömmliche Industrieroboter müssen durch Zäune oder Lichtvorhänge von den Arbeitern getrennt werden. Werden diese Barrieren überschritten, muss der Roboter sicher drehmomentfrei geschalten werden (Safe Torque Off, STO). Der Cobot ist aber für die unmittelbare Zusammenarbeit mit dem Menschen ausgelegt, sodass kein Sicherheitsabstand möglich ist. Die Bewegung erfolgt daher in einem langsamen Betriebsmodus (Safe Low Speed, SLS) und muss bei einer ungewollten Interaktion oder gar Kollision sehr viel schneller gestoppt werden (Safe Stop, SS1/SS2).

Der kollaborative Roboter muss zudem unterscheiden können, ob er gerade von einem Menschen eingelernt wird oder mit einem Hindernis kollidiert. Hierzu ist die Drehmomenterfassung an den Achsen erforderlich. Diese lässt sich indirekt berechnen anhand der Motorströme, was jedoch zu Ungenauigkeiten und Fehlern führen kann. Die aufwendigere, aber präzisere Lösung ist die Einbindung von Drehmomentsensoren. Diese müssen jedoch direkt in der Kraftübertragungskette positioniert werden, wo es auf Solidität ankommt, was in Kombination mit Feinfühligkeit eher gegensätzliche Ziele sind. Mittlerweile gibt es jedoch geeignete Technologien, um Sensordaten direkt an den Antrieben auszuwerten. Als Hersteller von Embedded-Lösungen für Robotersteuerungen hat Synapticon sich in dieser Sparte hervorgetan. Das Startup-Unternehmen aus dem Großraum Stuttgart bietet eine Technologie, um Sensordaten direkt an den Antrieben auszuwerten. Bei ungewollter Berührung durch den Menschen ist der Cobot dadurch in der Lage, schnell und exakt auf kritische Sensorsignale zu reagieren und im Bedarfsfall die Bewegung des Roboterarms zu stoppen. Hierzu sind Antriebseinheiten nötig, die alle Funktionalitäten für den Antrieb und die Regelung einer oder mehrerer Roboterachsen abdecken. Dies umfasst unter anderem die Leistungselektronik zur Ansteuerung verschiedener Motortypen, Recheneinheiten zur Bewegungssteuerung sowie Sensor- und Kommunikationsschnittstellen. Die entsprechenden Servoantriebe sind so klein, dass sie inklusive Sensoren direkt an den Antriebsachsen platziert werden können.

Auf der nächsten Seite werden die speziellen Anforderungen an die Steuerungstechnik behandelt.

Zwei Somanet-Knoten von Synapticon, die auf kleiner Fläche sämtliche benötigten Funktionen für eine dezentrale Motion Control bieten. Synapticon

Je leichter Roboter gebaut sind und je enger sie mit den Menschen zusammenarbeiten, desto kompakter und präziser muss die Steuerungstechnik sein. Embedded-Systeme eignen sich hierfür am besten. Herkömmliche Robotersteuerungen hingegen werden auf Industrie-PCs ausgeführt, sodass der Roboterarm kostenaufwendig mit dicken Kabeln und hochwertigen Steckern an den Steuerungs-PC angebunden ist. Der Trend geht jedoch zu schlanken Lösungen, die ohne platzraubenden Schaltschrank auskommen.

Synapticon liefert eine derartige Lösung, bestehend aus dezentraler Servotechnik und einer Robotersteuerung, die sich direkt in die Roboterarme integrieren lässt. Ein Schaltschrank ist dadurch in vielen Fällen komplett überflüssig, und der Kabelstrang reduziert sich auf zwei Drähte für die Stromversorgung und eine Industrial-Ethernet-Leitung, zur externen Vernetzung etwa mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS). Die SPS übernimmt meist einfache Aufgaben der Ablaufsteuerung, um Roboter und Zelle/Maschine zu integrieren. Moderne Robotersteuerungen hingegen, für hochdynamische Roboter und insbesondere MRK-Systeme, unterliegen höheren Anforderungen an die Bewegungssteuerung. Während eine konventionelle CNC-Steuerung, die auch für die Robotik angeboten wird, eine recht simple Bahnregelung aufweist, sind moderne Robotersteuerungen wesentlich komplexer. Letztere müssen Kinematiken, Dynamikmodelle und Simulationsfunktionen unterstützen.

Gerade die bereits angesprochenen Sicherheitsfunktionen für den kollaborativen Betrieb verknüpfen sensorische und motorische Funktionen direkt, angelehnt an menschliche Reflexe. Da sich mehr Steuerungsintelligenz an den Aktoren statt im Schaltschrank befindet, entfallen Kabel und lange Entscheidungswege, wodurch die Reaktionsschnelligkeit zunimmt. Der dezentrale Ansatz kommt mit einem zweiadrigen Versorgungsbus und einer vieradrigen Ethernet-Leitung aus. Synapticon hat diese Lösung in ein Modulsystem namens Somanet (eigene Schreibweise: SOMANET) verpackt, angelehnt an das somatosensorische Nervensystem des Menschen. Die Technologie richtet sich an die boomenden Marktsegmente für kollaborative Robotik, fahrerlose Transportsysteme (FTS) und Industrie 4.0.

Dezentrale Antriebe für schnelle, präzise Reaktion

Die dezentral installierbaren Antriebe sind bei gleicher Leistung deutlich kleiner als klassische Servoantriebe, weil sie mit Kleinstspannung arbeiten, also im Bereich unter 60 V. Modernste Halbleitertechnik erlaubt trotzdem hohe Ströme und damit Antriebe mit derzeit bis zu 5 kW, selbst für größere Roboterarme und FTS. In der Praxis sind Drehmomentregelungen von bis zu 100 kHz und Positionsregelungen von über 5 kHz gefragt. Die Schaltfrequenzen werden so gering wie möglich gehalten, während eine sehr schnelle Regelung und Reaktion erzielt sowie die Wärmeentwicklung minimiert wird. Die verbleibende Abwärme wird durch ein ausgefeiltes Platinendesign trotz des kleinen Verstärkerteils (zum Beispiel vier Phasen mit 1 kW auf nur 40 × 20 × 5 mm³) effektiv abgeleitet.

Für spezielle Anwendungen – wie das Entgraten, Schleifen oder Polieren von Werkstücken oder das Greifen und Montieren von empfindlichen Bauteilen – wird eine präzise Kraftregelung benötigt. Herkömmliche, positionsgeregelte Roboter können über mehrdimensionale Kraftsensoren am Endpunkt zwar bedingt mit ähnlichen Fähigkeiten ausgestattet werden, allerdings mit den Nachteilen der indirekten Regelung. Neben der Mensch-Roboter-Kollaboration ist die kontinuierliche Kostenreduzierung bei Roboterarmen ein wichtiger Trend. Das Visual-Servoing-Prinzip bietet hier großes Potenzial. Dabei wird die klassische Positionsregelung durch den Einsatz kostengünstiger Kameras im Endpunkt des Roboterarms vereinfacht. Auf teure Positionsencoder kann damit verzichtet werden. Die Grundidee geht abermals auf die Biologie zurück: Der Mensch fühlt nicht nur, um präzise Armbewegungen ausführen zu können, sondern sieht auch in die Richtung des Objekts, was eine effiziente Koordination ermöglicht. Bei Robotern können einfache Bildsensoren diese Aufgabe übernehmen und stellen eine attraktive Alternative zu den aufwendigen Präzisionsregelungen von Industrierobotern dar. Synapticon liefert eine Lösung, um die von den Bildsensoren generierten Daten auf demselben Bussystem zu übertragen wie die Steuerinformationen. Dadurch sind zusätzliche im Roboterarm geführte Kabel nicht erforderlich.

Zukünftige Chancen und aktuelle Herausforderungen

Künftig gilt es, neue Anwendungen und Anforderungen zu bedienen, die sich aus der Künstlichen Intelligenz (KI) und dem maschinellen Lernen (ML) ergeben. Roboter müssen in die Lage versetzt werden, weitgehend autonom zu agieren. Damit hängt wiederum das Thema Sicherheit zusammen, also die gefahrlose Zusammenarbeit von Mensch und Maschine, eine der großen Herausforderungen der kollaborativen Robotik. All dies treibt die Entwicklungs- und Produktionskosten in die Höhe, sodass die neuen Technologien derzeit erwartungsgemäß teurer sind als konventionelle Produkte. Mit zunehmender Nachfrage dürfte wie bei allen technischen Innovationen das Preisniveau sinken. Mittelfristig wird ein großer Teil der installierten Roboter zumindest über einige kollaborative Elemente verfügen. Zudem geht es darum, die kollaborative Robotik in konkreten Anwendungsbereichen zu etablieren. Langfristig dürften sich kollaborative Roboter überall dort durchsetzen, wo sie Menschen bei körperlich schweren Arbeiten und diffizilen Montageaufgaben entlasten können. Die parallele Ausführung mehrerer Vorgänge, koordiniert von einem Menschen wird die Produktivität deutlich steigern.

(ah)