Wer kennt sie nicht, die blechernen Weggefährten von Jedi-Ritter Luke Skywalker aus Star Wars? Der schlaksige, wortgewandte C3PO im glänzenden Edelmetall-Outfit und sein kleiner, piepsender ‚Kollege‘ R2D2 im nüchternen Industriestaubsauger-Design gehören zu den Lieblingsfiguren der Weltraumsaga. In den 40 Jahren seit dem ersten Film der Reihe hat sich technologisch einiges getan in der Robotik: Ausgeklügelte Sensorik und moderne Steuerungstechnik machen heute eine ‚echte‘ Teamarbeit von Mensch und Maschine möglich.

Im Technologie-Englisch hat sich für diese neue Robotergeneration der Begriff Cobots etabliert – die Abkürzung für collaborative robots. Anders als bei den herkömmlichen Industrierobotern, bei denen Wiederholgenauigkeit, Schnelligkeit und das Bewegen großer Lasten im Vordergrund stehen, sind Cobots auf geringere Kräfte, mehr Nachgiebigkeit und menschliche Arbeitsgeschwindigkeiten ausgelegt. So besitzen ihre Arme anstatt sechs oder weniger Achsen oft sieben, um die Beweglichkeit eines menschlichen Armes bestmöglich nachzuahmen.

Auch die Sicherheitstechnik sieht anders aus. Herkömmliche Industrieroboter sind in der Regel durch Zäune oder Lichtvorhänge von den Arbeitern zu trennen. Werden diese Barrieren überschritten, muss der Roboter sicher drehmomentfrei geschalten werden (Safe Torque Off, STO). Da der Arbeiter aber mit dem Cobot zusammenarbeiten soll, ist ein Sicherheitsabstand nicht umsetzbar. Die Bewegung muss daher in einen langsamen Modus geschaltet werden (Safe Low Speed, SLS) und bei einer ungewollten Interaktion oder Kollision sehr viel schneller gestoppt werden (Safe Stop, SS1/SS2). 

Dabei muss der Roboter ebenfalls unterscheiden können, ob er gerade von einem Menschen mit der Hand eingelernt wird oder mit einem Hindernis kollidiert. Hierzu ist die Drehmomenterfassung an den Achsen unverzichtbar. Diese lässt sich indirekt auf Basis der Motorströme berechnen, was aber ungenau und fehleranfällig sein kann. Die kostenaufwendigere, aber präzisere Lösung ist die Einbindung von Drehmomentsensoren. Allerdings liegen diese direkt in der Kraftübertragungskette, wo es auf Solidität ankommt, was in Kombination mit Feinfühligkeit eher gegensätzliche Ziele sind. Bei beiden Ansätzen kommt es darauf an, schnell und unmittelbar auf Sensorsignale zu reagieren; vor allem auf diejenigen, die auf eine ungewollte Berührung mit einem Menschen hindeuten. 

Als Hersteller von Embedded-Lösungen für Robotersteuerungen hat Synapticon sich dieser Herausforderung gestellt und dafür eine Lösung entwickelt, um Sensordaten direkt an den Antrieben auswerten zu können. Bei ungewollter Berührung durch seinen menschlichen Kollegen kann der Cobot somit schnell und exakt auf Sensorsignale reagieren, um etwa zu stoppen. Die entsprechenden Antriebseinheiten umfassen sämtliche Funktionalitäten für den Antrieb und die Regelung einer oder mehrerer Roboterachsen. Hierzu zählen unter anderem die Leistungselektronik zur Ansteuerung verschiedener Motortypen, Recheneinheiten zur Bewegungssteuerung sowie Sensor- und Kommunikationsschnittstellen. Die entsprechenden Servoantriebe können so klein ausgeführt werden, dass sie inklusive Sensoren direkt an den Antriebsachsen platzierbar sind – ein 1000-Watt-Knoten hat beispielsweise eine Größe von gerade mal 70 mm × 40 mm × 22 mm. 

Reaktionsschnelle Sensorik gefordert

Die Sicherheitsfunktionen für den kollaborativen Betrieb verknüpfen sensorische und motorische Funktionen direkt, ähnlich wie bei menschlichen Reflexen. Da sich mehr Steuerungsintelligenz an den Aktoren statt im Schaltschrank befindet, entfallen Kabel und lange Entscheidungswege, die Reaktionsschnelligkeit nimmt zu. Der dezentrale Ansatz kommt mit einem zweiadrigen Versorgungsbus und einer vieradrigen Ethernet-Leitung aus. Synapticon hat diese Lösung in ein Modulsystem namens ‚Somanet‘ verpackt, angelehnt an das somatosensorische Nervensystem des Menschen. Das bedeutet: Ähnlich den Reflexen im menschlichen Körper lassen sich Sensorinformationen direkt in den Achsen auswerten und somit die schnellen Reaktionen realisieren, wie sie für den kollaborativen Betrieb erforderlich sind.

Das modulare System ermöglicht es, sowohl ­Antriebsregler unterschiedlicher Leistungs­klassen als auch digitale Ein- und Ausgänge anzuschließen und zu kombinieren.

© Synapticon

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 von bis zu 100 A und damit Antriebe mit derzeit bis zu 5 kW – selbst für größere Roboterarme und fahrerlose Transportsysteme (FTS). Die dabei auftretende Wärme-Entwicklung wird neben der hohen Effizienz der Verstärkerschaltung durch einen Modell-prädiktiven Regelungsansatz minimiert mit dem Ziel, die Schaltfrequenzen so gering wie möglich zu halten, während weiterhin sehr schnell geregelt beziehungsweise reagiert werden kann. In der Praxis der leistungsfähigen kollaborativen Robotik sind immerhin Drehmomentregelungen von bis zu 100 kHz und Positionsregelungen von über 5 kHz gefragt. Die verbleibende Abwärme lässt sich trotz der kleinen Größe des Verstärkerteils (zum Beispiel vier Phasen mit 1 kW auf nur 40 mm × 20 mm × 5 mm) über ein ausgefeiltes Platinen-Design effektiv ableiten.

Der menschlichen Biologie ­nachempfunden

Für spezielle Anwendungen wie das Entgraten, Schleifen oder Polieren von Werkstücken oder das Greifen und Montieren von empfindlichen Bauteilen ist eine prä­zise Kraftregelung nötig. Herkömmliche, positionsgeregelte Roboter können über mehrdimensionale Kraftsensoren am Endpunkt zwar bedingt mit ähnlichen Fähigkeiten ausgestattet werden; allerdings stellt die indirekte Regelung der Kraft des Endpunkts über die Regelung der Position einen Umstand dar, der zu keiner optimalen Qualität und Leistung führt.

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 Positions-Encoder kann damit verzichtet werden und selbst die Qualitätsanforderungen an die verbauten Getriebe lassen sich dadurch reduzieren. 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 der Lösung von Synapticon werden die von den Bildsensoren generierten Daten auf demselben Bussystem übertragen wie die Steuerinformationen. Dadurch sind zusätzliche im Roboterarm geführte Kabel nicht erforderlich.

Auf den Punkt gebracht: Effiziente Lösungen, um menschliche Bewegungen für den kollaborativen Arbeitseinsatz umzusetzen, werden sich in der Industrie durchsetzen. Während die Droiden im Film auch mit menschlicher Emotion punkten, werden sich Cobots in der Industrie allerdings allein an ihren technischen Fähigkeiten messen lassen müssen. Für den vorgesehenen Einsatzzweck sind sie jedoch sehr gut aufgestellt – und mit ihrem feinfühligen Bewegungsapparat steckt durchaus auch etwas ‚Mensch‘ in der Maschine.

Autor:
Nikolai Ensslen ist Gründer und CEO von Synapticon.