Entwicklungstendenzen in der Robotik

Heinz Wörn

Generell werden unter dem Begriff Robotik in mehreren Achsen bewegliche und frei programmierbare Geräte verstanden, welche mit Werkzeugen und Sensoren ausgerüstet sind und die Aufgaben in der Produktion und im Service durchführen. Während Industrieroboter heute als Standardbausteine zur Automatisierung in vielen Produktionsbereichen eingesetzt werden und eine große wirtschaftliche Bedeutung haben, stehen die Serviceroboter noch am Anfang ihrer Markteinführung und verkörpern zukünftige Chancen.

Insbesondere die Automobilindustrie und deren Zulieferbetriebe, aber auch zunehmend Klein- und mittelständische Unternehmen setzen verstärkt Indus-trieroboter ein.
Bis Mitte der 90er Jahre war es üblich, Roboter entlang eines Transportbandes oder Shuttles anzuordnen, z.B. beim Punktschweißen. Das Shuttle transportiert das Bauteil von Station zu Station. In einer Station sind dann die Roboter seitlich angeordnet und führen z.B. Punktschweiß- oder Klebeaufgaben durch. Heutige neueste Konzepte verwenden den Roboter nicht nur als Bearbeitungsbaustein, er übernimmt auch die Transportaufgabe. Der Roboter greift das Bauteil z.B. von einer Ablagestation und legt es in eine Station, wo es z.B. von mehreren Robotern bearbeitet wird. Es wird vom einen Handhabungsroboter in die nächste Bearbeitungsstation und nach Fertigbearbeitung in die Übergabestelle gelegt. Von dort übernimmt ein weiterer Handhabungsroboter das Bauteil für die weiteren Bearbeitungsschritte.

Roboterhardware
Ganz entscheidend wurde die Industrieroboterentwicklung der letzten zehn Jahre von den Kosten geprägt. So kann ein drastischer Preisverfall festgestellt werden. Um in diesem Sinne wettbewerbsfähig zu bleiben, war es ein Hauptziel, die Herstellkosten zu senken.
Die Herstellkosten, das Gewicht, die Teileanzahl und die Wartung eines Roboters wurden deutlich reduziert bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit. Durch eine schlanke Konstruktion, Optimierung der Konstruktion mit FEM-Methoden und Aluminiumguss konnte das Gewicht deutlich reduziert werden, bei einer deutlich verringerten Teileanzahl.
In den letzten Jahren wurde neben der Herstellkostenreduktion eine kontinuierliche Verkleinerung der Schaltschränke und damit der Stellfläche erreicht. Die Schaltschränke beinhalten die Logikeinheit, die Bedienungselemente, den Verstärker sowie die Sicherheitsschaltkreise. Insbesondere die stetige Verkleinerung und Integration der Halbleiterbauelemente für die Logikelemente sowie für den Verstärker haben dies ermöglicht.
Aus heutiger Sicht können bei Robotersteuerungen zwei prinzipielle Hardwarearchitekturen unterschieden werden. Auf der einen Seite sind die Robo-tersteuerungen als Mehrprozessorsystem mit parallelem Mehrprozessorbus aufgebaut. Einer der bekanntesten Vertreter ist die VME-Bus-basierte Steuerung. Ein Nachteil dieser Architektur in Bezug auf die Kosten sind die relativ kleinen Stückzahlen der Komponenten. Das offene und modulare Buskonzept kann nicht mehr weiter vereinfacht werden. Jeder neue Prozessor erfordert die Neuentwicklung einer neuen Zentraleinheit.
Diese Nachteile existieren nicht bei einer PC-basierten Lösung. Bei Stückzahlen von bis zu eine Million Platinen können diese zu äußerst niedrigen Preisen gekauft werden. Der größte Vorteil von PCs ist das einfache Aufrüsten auf eine neue Prozessorgeneration, die keinerlei Neuentwicklung erfordert.
Für die Hardware einer Robotersteuerung müssen lediglich einige wenige Karten vom Roboterhersteller entwickelt werden und über den standardisierten PCI-Bus in den PC integriert werden, z.B. eine Karte für die Kopplung der Verstärkerelektronik und der Wegmesssysteme sowie eine Karte für die Ankopplung des Programmierhandgerätes. Der Trend geht zu PC-basierten Steuerungen.


Bild 1: Intelligenter Roboter mit Sensordatenverarbeitung.

Heutzutage sind die Steuerungen, Leistungsendstufen, Ein-/Ausgabeeinheiten sowie die Sicherheitstechnik in einem Schaltschrank integriert. Aus diesem Grund muss die Steuerung über zwei Kabel mit vielen Leitungen an den Roboter angeschlossen werden. Dies führt zu hohen Verbindungskosten. Zur Reduzierung dieser Kosten wurde in einem Forschungsprojekt die Serverelektronik und der Verstärker direkt in den Antrieb integriert. Ein Servobus führt dann von der Robotersteuerung direkt zu den einzelnen dezentralen Antriebs-einheiten in den Gelenken des Roboters. Der Trend der nächsten Jahre wird dahin gehen, die Elektronik stärker in die Mechanik zu integrieren.

Robotersoftware
Für Industrieroboter sind schnellste, die Mechanik schonende Verfahren gefordert. Als Standard in der Bewegungsführung werden heute die Punkt-zu-Punkt-, Linear- und Zirkularinterpolation verwendet. Moderne Robotersteuerungen beinhalten bereits die Spline-Interpolation und ein höheres ruckbegrenztes Fahrprofil sowie eine über mehrere Sätze vorausschauende Look-ahead-Funktion.

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