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Kollaborierende Robotik: Sensorik und Antriebstechnik für einen 'Cobot'

Die neue Robotergeneration der kollaborativen Roboter – kurz Cobots – soll echte Teamarbeit mit dem Menschen an der Werkbank ermöglichen. Damit sie dies leisten kann, ist 'Feinfühligkeit' gefordert – was wiederum neue Anforderungen an die eingesetzte Sensorik mit sich bringt.

A_Roboterarm Bildquelle: © Shutterstock

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.