Module für Service-Robotik

Sensibler Griff für sensible Aufgaben

Einsatzfelder für Service-Robotik
Eine Animation des Leichtbauarms LWA sehen sie auf www.handling.de | Fachwissen | Multimedia.
Über 50.000 Roboter werden allein in Deutschland in der Automobilindustrie eingesetzt, in Käfigen gehalten und verrichten Tag für Tag ihre vordefinierten Aufgaben. Jetzt sucht der Roboter den Weg in die Freiheit. Unter dem Schlagwort „Service-Robotik“ findet derzeit eine breite Entwicklung statt. Vom Entertainment über die Haushaltshilfe bis zu Sicherheitsdiensten reichen die Anwendungsfelder. Auch im sozialen Bereich entwickelt der Roboter ein sensibles Händchen für die Belange behinderter oder alter Menschen.

Service-Robotik umfasst alle Roboterlösungen, die über den rein industriellen Einsatz in der Fertigung hinausgehen. Ihr Nutzwert in der Industrie wie im häuslichen Lebensumfeld besteht darin, dass sie den Menschen einerseits bei der Arbeit unterstützt und hilft, diese Tätigkeiten zu erleichtern. Zum anderen übernimmt sie monotone und anspruchslose, aber auch unangenehme, schmutzige oder gefährliche Arbeiten. Hierfür sind die Service-Roboter mit umfangreicher Sensorik ausgestattet und passen sich adaptiv den aktuellen Aufgaben und Umweltbedingungen an. Sie bewegen sich meist in unstrukturierten, komplexen, dynamischen und manchmal auch gefährlichen Umgebungen. Meist sind es Dienstleistungsaufgaben, die den Robotern der Zukunft übertragen werden.

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Weil Service-Robotiklösungen in der Regel mobil eingesetzt werden, müssen Roboterkomponenten leicht, Platz sparend und genügsam im Energieverbrauch sein. Mittlerweile zeichnet sich ab, dass sich die Entwicklung in diesem Bereich deutlich beschleunigt. Gründe hierfür sind die bessere Verfügbarkeit von erschwinglicher Servotechnologie, die stetige Verbesserung von Batterien für den mobilen Einsatz, sinkende Kosten für Rechenleistung und Sensoren sowie die Weiterentwicklung leistungsfähiger, mechatronischer Dreh- und Greifmodule.
Als einer der Marktführer im Bereich der Greiftechnik hat Schunk frühzeitig Kompetenzen in diesem Bereich aufgebaut und weiterentwickelt. So nutzt das Unternehmen aus Lauffen einen praxiserprobten und stetig weiterentwickelten Baukasten mechatronischer Module, der von der servoelektrischen Schwenkeinheit über den kompletten Leichtbauarm bis hin zum Greifer oder zur anthropomorphen Hand reicht.

Hierarchisch verteilte Steuerung

Service-Roboter müssen komplexe Zusammenhänge erfassen, bewerten und innerhalb kürzester Zeit ihre Bewegungen und Handlungen darauf anpassen. Hierzu ist ein vielschichtiges technisches Zusammenspiel erforderlich: Lasermess- und Bildverarbeitungssysteme sorgen für eine berührungslose Wahrnehmung der Umwelt. Winkel-, Drehmoment- sowie Drucksensoren erfassen Kraftmomente, Druck oder Reibung und ermöglichen auf diese Weise, dass sich der Roboter frei bewegen und kraftschlüssige Manipulationsaufgaben erledigen kann.

Die modularen Roboterlösungen von Schunk arbeiten hierfür auf Basis hierarchisch verteilter Steuerungsebenen, die parallel nebeneinander agieren. Die PowerCube-Elemente bilden die unterste Ebene der Systemarchitektur des Service-Roboters. In den Steuerungen dieser Antriebselemente sind bereits Gelenkfunktionen als Makros hinterlegt. Eine mittlere Steuerungsebene verarbeitet die Signale der Sensoren und koordiniert die Bewegung der Gelenke untereinander. Die höchste Steuerungsebene schließlich ist für die Mensch-Maschine-Interaktion zuständig und steuert die Anbindung an den Prozess. Der Service-Roboter fügt einzelne Steuerungssequenzen flexibel und adaptiv zu ganzen Funktionen, sogenannten Service-Skills, zusammen, die immer wieder neu kombiniert werden können. Ziel der Forschung ist es, dass der Roboter autonom agieren und seine Aufgaben erledigen kann.

Modulare Systeme

Ein wesentliches Hemmnis bei der Entwicklung serientauglicher Service-Roboter war bisher der Preis. Robotiklösungen waren selbst für anspruchsvolle Anwender zu teuer. Gerade hier entsteht derzeit aufgrund der modularen mechatronischen Systeme deutliches Entwicklungspotenzial. Im Gegensatz zu ersten Serienversuchen in Asien und in den USA, die auf Billigkomponenten für den Massenmarkt setzen, ist Schunk mit seinen Komponenten in Industriequalität Partner bei der Entwicklung serienreifer Serivce-Robotiklösungen.

Mit der servoelektrischen Schwenkeinheit PRL lassen sich beispielsweise rekonfigurierbare, modulare Roboterstrukturen realisieren. Die einzelnen PRL-Module können mit Verbindungsteilen frei und flexibel zu einem individuellen Leichtbauarm montiert werden. Die Schwenkeinheit wird von einem bürstenlosen Servomotor mit Harmonic-Drive-Getriebe bewegt und enthält bereits eine komplette Leistungs- und Steuerelektronik. Sie ermöglicht Positionierfahrten mit Rampensteuerung und enthält eine Endlagen-, Spannungs-, Strom- und Temperaturüberwachung. Durch den Einsatz leichter und gleichzeitig hochstabiler Materialien erreichen die kompakten Schwenkeinheiten ein Eigenmasse-Traglast-Verhältnis, das besser ist als 2:1. Spannungsversorgung, Ansteuerungsmöglichkeiten und universelle Kommunikations-Schnittstellen sind bereits integriert.

Ausgesprochen komplex ist die anthropomorphe Hand SAH, die Schunk in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR und dem Harbin Institute of Technology HIT (China) entwickelt hat. Nicht nur die Beweglichkeit ähnelt dem menschlichen Vorbild, auch das an die menschliche Hand angelehnte, ästhetisch ansprechende Erscheinungsbild unterscheidet die Hand von bisher dagewesenen Lösungen. Jeder der vier Finger hat vier Gelenke und ist mit Sensoren ausgestattet, die Kraft- und Positionswerte für jedes Gelenk ermitteln. Die SAH besitzt neben einem hohen Maß an Griffsicherheit auch das oft notwendige Fingerspitzengefühl, um sowohl Flaschen zu öffnen als auch ein rohes Ei greifen zu können.

Anwendungen in der Praxis

Forschung und Entwicklung arbeiten intensiv an zahlreichen Projekten rund um die Service-Robotik. Für den Haushalt gibt es bereits Service-Roboter, die in Serie produziert und vertrieben werden. Sie erledigen einfache, vordefinierte Aufgaben, etwa Staubsaugen oder das Reinigen von Swimmingpools.

Die Forschung arbeitet an Lösungen, die im Haushalt und im täglichen Leben behinderter Menschen deutliche Erleichterungen bringen. Erste Ansätze gehen bereits so weit, dass aufgrund von Fortschritten in der modernen Hirnforschung allein über Gedankenkraft und der damit verbundenen Hirnaktivitäten künstliche Gliedmaßen gesteuert werden sollen.
Bei hochriskanten Tätigkeiten wie der Bomben- und Minenentschärfung hat sich der Einsatz von Service-Robotern bereits bewährt. Sie erkennen und beseitigen Gefahrenquellen. Visuelle Systeme und Detektoren helfen bei der Untersuchung kritischer Gegenstände oder verminter Gelände. Über modular gebaute Arme und sensorbestückte Greifer kann anschließend die Entschärfung vorgenommen werden. PR/gm

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