Beitrag zur Robotergestaltung unter Berücksichtigung von Strukturleichtbau, Sensorintegration und neuartigen Antriebsmöglichkeiten
In den vergangenen Jahrzehnten ist der Automatisierungsgrad im produzierenden Gewerbe aufgrund der Notwendigkeit zur Kostenoptimierung kontinuierlich angestiegen. Im hohen Maße wurde dies auch durch den Einsatz von Industrierobotern realisiert. Neben der Steigerung der Produktivität können mit Hilfe von Robotern auch Fertigungstolleranzen minimiert und somit die Qualität erhöht werden. Es ist jedoch zu beobachten, dass dieser Prozess in den Bereich der Sättigung gerät, z. T. wurden vorhanden Roboterzellen sogar wieder deaktiviert und durch menschliche Arbeitskräfte ersetzt, welche mitunter Flexibilitätsvorteile besitzen. Dieser ist nur einer der Gründe um neue Technologien auf dem Gebiet der Robotik zu untersuchen.
Die heutige Generation der Industrieroboter weist ein sehr ungünstiges Verhältnis zwischen Eigen- und Handhabungsmasse auf, welches in der Größenordung von etwa 10:1 liegt. Dieses macht bestehende Anlagen zum einen sehr unflexibel. In einigen Bereichen bestimmt der Roboter, aufgrund seines begrenzten Beschleunigungsvermögens und seiner maximalen Verfahrgeschwindigkeiten, die Taktzeit der gesamten Anlage. Durch die Verringerung seines Eigengewichtes könnte somit die Taktzeit der Anlage gesenkt und deren Produktausstoß erhöht werden. Aber auch aus Gründen der immer wichtiger werdenden Energieeffizienz muss über die Verbesserung des Wirkungsgrades von Industrierobotern nachgedacht werden.
In den letzten Jahren ist ein einsetzender Trend zur Vereinigung der Arbeitsräume zwischen Roboter und Mensch zu erkennen, welche bisher strikt voneinander getrennt waren. Dies wurde letztendlich durch die Verfügbarkeit von sicheren Steuerungen ermöglicht. Es ist zu erwarten, dass die sog. Mensch-Roboter-Kooperation eine sehr große Bedeutung gewinnen wird. Aus Gründen des Bedienerschutzes hätte eine Reduzierung der Eigenmasse von Industrierobotern und somit der Verringerung der kinetischen Gesamtenergie im System, neben dem unverzichtbaren Einsatz von Sicherheitssteuerungen, einen weiteren Sicherheitsgewinn zur Folge. Des Weiteren lassen sich durch eine niedrigere mechanische Impedanz des Roboters dessen Regelalgorithmen verbessern.
Im Hinblick auf das zu erwartende Vordringen von Robotern in Bereiche des täglichen Lebens, z. B. in der Form von Service- und Entertainmentrobotern wäre ebenfalls eine Gewichtsreduktion wünschenswert.
Die zukünftigen Anforderungen an moderne Robotersysteme immer komplexere Aufgaben abzuarbeiten, macht auch den Einsatz und die Fusion verschiedenster Sensoren unverzichtbar. Mit heute gebräuchlichen Robotersteuerungen lassen sich externe Sensoren oft nur unzureichend integrieren um sog. sensorgeführte Roboterbewegungen realisieren.
An der Professur Robotersysteme der Technischen Universität Chemnitz wurden in den vergangenen Jahren zahlreiche Untersuchungen auf dem Gebiet der Kraft-/ Momentregelung, der Mensch-Roboter-Interaktion und des sog. Visual Servoing durchgeführt. Dazu wurden fast ausschließlich Standard-Industrieroboter, mit den schon genanten Nachteilen verwendet.
Es hat sich gezeigt, dass der Einsatz von sog. Leichtbaurobotern in Zukunft unverzichtbar ist. Neben einigen wenigen Prototypen und einzelnen Ansätzen zu deren Kommerzialisierung ist z. Z. keine preiswerte Alternative vorhanden. Ziel der geplanten Nachwuchsforschergruppe ist es einen kostengünstigen, modular aufgebauten Leichtbauroboter für unterschiedliche Einsatzgebiete zu entwickeln, um an ihm zukunftsorientierte Technologien weiterzuentwickeln, und somit auf diesem Gebiet die Wettbewerbsfähigkeit des Innovationsstandortes Sachsen auszubauen. An der Professur Robotersysteme sind dazu die folgenden Teilaufgaben auszuführen:
- Entwicklung eines Konzeptes zum modularen Aufbau verschiedener Kinematiken aus wenigen Grundelementen,
- Konstruktion der notwendigen Komponenten unter der besondern Berücksichtigung der Gewichtsminimierung, z. B. durch den Einsatz alternativer Materialien,
- Auswahl und Integration geeigneter Sensoren, z. T. auch direkt im Roboterarm,
- Ankopplung des Roboters an ein geeignetes Steuerungssystem.
Dipl.-Ing. Lars Böhme
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