| von Siegfried W. Best

Zielgruppen für den Einsatz des youBot (Bild 1), was so viel bedeutet wie Roboter für jeden, sind Forschung und Ausbildung an Universitäten und Hochschulen. Die Anwendungen liegen entsprechend in der Erforschung und Validierung neuer Algorithmen für die mobile Manipulation für die Fabrik der Zukunft, aber auch in der Ausbildung von Studenten in der Robotik allgemein und in der mobilen Manipulation im Besonderen.

Die omnidirektionale Plattform auf der der Roboter montiert ist, wird angetrieben von vier Kuka omniWheels, die auf dem Mecanum-Prinzip beruhen und mit ihren unabhängig steuerbaren Servoantrieben eine Fahrt in alle Richtungen ermöglichen, ohne eine mechanische Lenkung zu benötigen.

Der Arm des Roboters kann eine Last von bis zu 0,5 kg in jeder beliebigen Position in einem dreidimensionalen Raum bewegen. Um die angestrebten Ausbildungs- und Forschungszwecke zu unterstützen, sind der mechanische Aufbau und das Antriebskonzept mit seinen dezentralen Servocontrollern ähnlich den „großen“ Kuka-Robotern gehalten. Wie in den Produktionsrobotern sind die verteilten Achscontroller durch einen Echtzeitbus verbunden.

Als „Hand“ wird standardmäßig ein Greifer mit zwei „Fingern“ ausgeliefert, die unabhängig von einem Schrittmotor angetrieben und frei positioniert werden. Da das Kommunikationsprotokoll zur Hand dokumentiert ist, kann der Benutzer auch eigene Greifer oder Werkzeuge entwickeln.

Die einzelnen Funktionsbaugruppen der Elektronik des youBot sind in den Bildern 3 bis 8 dargestellt. Alle Antriebe (vier Plattformdrives, fünf Armdrives, zwei Steppermotoren) werden über EtherCAT angesteuert, ein Echtzeit-Kommunikationsbus, der ebenfalls in Kukas Industrierobotern zum Einsatz kommt. Das youBot-Antriebsprotokoll ist offen und lädt zum Entwickeln eigener Anwendungen und Steuerungen ein. Dem Anwender steht eine API (Application Programming Interface) zur Verfügung, die die gewünschte Bewegungen des youBot in Befehle zur Ansteuerung der einzelnen Motoren umsetzt.

Im Zentrum des youBot, dessen gesamte Elektronik im Blockschaltbild (Bild 2) dargestellt ist, steht ein handelsüblicher Intel-Atom-PC im ITX-Format mit Dual-Core-CPU, 2 GB RAM, 32 GB SSD und verschiedenen USB- und Ethernet-Ports sowie WLAN. Auf dem PC läuft ein Echtzeit-Linux-Kernel, auf dem der Simple-Open-EtherCAT-Master (SOEM) arbeitet. Der PC rechnet die von außen über WLAN oder Ethernet vorgegebenen Positionen in Momenten-, Geschwindigkeits- oder Positionsvorgaben für die einzelnen Achsen um und übernimmt die Interpolation der einzelnen Achsen. Die Vorgaben werden über einen EtherCAT-Bus an die beiden Masterboards (Bilder 6 und 7) gesendet, die ein EtherCAT zu EBUS Gateway implementieren. Die Achscontroller (Bild 3) sind über den EtherCAT-Backplane-Bus EBUS angebunden.

Jeder der insgesamt neun Achscontroller im System stellt einen vollwertigen Servo-Controller mit feldorientierter Regelung dar. Neben der Positionierung übernehmen die Achscontroller eine Reihe von Sicherheitsfunktionen, wie zum Beispiel ein Not-Stopp im Fall einer Verbindungs-Unterbrechung. Von allen Achscontrollern können in Echtzeit alle relevanten Achsparameter wie die aktuelle Geschwindigkeit, der aktuelle Strom, die aktuelle Position, die zugehörigen Vorgabewerte, sowie eine Reihe Diagnose- und Schutzfunktionen zurückgelesen werden.

Das Greifer-Board (Bild 4) zur Steuerung der „Hand“ wird über UART an den letzten Achscontroller im Arm angebunden und stellt sich als zweite Achse des letzten Controllers dar. Im Standard-Greifer werden Greifer-Backen über zwei Schrittmotoren verfahren. Die Lastsituation am Greifer kann sensorlos über das von Trinamic patentierte stallGuard2 ermittelt werden.

Der Ladecontroller stellt das zentrale Power-Management (Bild 5) dar. Auf dem Ladecontroller erfolgt eine separate Laderegelung für die beiden wartungsfreien Blei-Akkumulatoren (24 V, 5 Ah) bei angeschlossenem Ladegerät (200 W). Ist kein Ladegerät angeschlossen, erfolgt die Versorgung aus den beiden Akkumulatoren über einen Zeitraum von bis zu 90 Minuten. Ein Betrieb des Roboters ist sowohl mit angeschlossenem Netzteil als auch rein aus den Akkus möglich. Die einzeln geregelten Spannungsversorgungen für den PC und die Motoren werden ebenfalls auf dem Ladecontroller erzeugt. Über den Bord-PC können die Spannungen der Batterien überwacht werden.

Die Bedienung ist für den Benutzer mit einem einzelnen Knopf und einem zweizeiligen Display (Bild 8) möglich. Ein externer PC für die Steuerung ist daher nicht erforderlich.

Den youBot gibt es im Kuka-youBot-Store ab rund 24 000€.

Technische Daten des Kuka youBot

  • 5-Achsen-Kinematik
  • Höhe 655 mm
  • Arbeitsbereich 0,513 m3
  • Gewicht 6,3 kg
  • Traglast 0,5 kg
  • Positionswiederholgenauigkeit 1 mm
  • Kommunikation EtherCAT
  • Betriebsspannung 24 V
  • Achsenbereich und Geschwindigkeit:
  • Achse 1 (A1) +/– 169° 90°/s
  • Achse 2 (A2) + 90°/– 65° 90°/s
  • Achse 3 (A3) + 146°/– 151° 90°/s
  • Achse 4 (A4) +/– 102° 90°/s
  • Achse 5 (A5) +/– 167° 90°/s
  • Greifer, 2 Finger
  • Greiferhub 20 mm
  • Greiferbereich 70 mm

Siegfried W. Best

ist freier Autor.

(ah)

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