Technisch anspruchsvoll, aber kostengünstig

DC-Kleinstantriebe treiben die Robotik voran

Roboter sind heute allgegenwärtig und aus der modernen Automatisierungstechnik nicht mehr wegzudenken. Bisher gab es allerdings keine Roboterplattform, die es Anwendern erlaubte bis tief in die Steuerungssoftware hineinzuschauen und diese auch bewusst zu verändern. Dies führt dazu, dass Roboter in der Regel immer nur gerade die Funktionen erfüllen, die der Hersteller für sie vorgesehen hat. Der Anwender hat somit keine Möglichkeiten für seine Aufgabe spezifische Regelungen und Funktionen in die Software zu implementieren. Hier knüpft die „Education Robot Plattform“ der NTB Interstaatlichen Hochschule für Technik in Buchs (CH) an. Sie ermöglicht Eigenentwicklungen im Bereich der Robotersteuerung, die auch gleich mit einem technisch anspruchsvollen, aber dennoch preiswerten Roboter getestet werden können. Kompakte DC-Kleinstmotoren kombiniert mit Getriebe und Encoder haben dazu einen entscheidenden Beitrag geleistet.

Die neue „Education Robot Plattform“ basiert auf der Software EEROS (Easy, Elegant, Reliable, Open and Safe Real-Time Robotics Software). Die leistungsfähige Open-Source-Framework-Lösung für die Robotersteuerung erlaubt die Implementierung von hardwarenahen Echtzeit-Reglern bis hin zu High-Level-Steuerungsapplikationen. An der NTB wurde dazu passend nun eine entsprechende Elektronik mit Motorenansteuerung, Programmierschnittstelle und Spannungsversorgung sowie die für die Umsetzung notwendige Mechanik entwickelt, also der Roboter, der zum Test der mit EEROS erarbeiteten Steuerungsabläufe dient.

Ein Roboter, der auf den Schreibtisch passt

Dieser Roboter sollte trotz gleicher oder sogar besserer Leistungsfähigkeit preislich weit unterhalb des bei Industrieroboter üblichen Rahmens liegen, um für Entwicklungs-, Schulungs- oder Demonstrationszwecke überhaupt interessant zu sein. Gleichzeitig waren kompakte Abmessungen und ein geringes Gewicht gefordert, damit sich das Equipment gut transportieren lässt, in einen Koffer passt, die Benutzung an einem Büroarbeitsplatz erlaubt und sich der Materialaufwand in Grenzen hält. Die Konstrukteure entschieden sich schlussendlich für einen Delta-Roboter, der so aufgebaut ist, dass die im Prinzip würfelförmige Konstruktion eine Kantenlänge von jeweils ca. 200 mm hat und je nach Gestell zwischen wenigen hundert Gramm und ein bis zwei Kilogramm wiegt.

Die spinnenähnlichen Delta-Roboter sind mittlerweile in der Industrie weit verbreitet und punkten vor allem bei Highspeed-Anwendungen. Sie bestehen aus der fest mit dem Gestell verbundenen Grundplatte, die wiederum über drei um 120° versetzte Armsysteme, bestehend aus Ober- und Unterarmen, mit der Arbeitsplatte verbunden ist. Die Oberarme werden durch die an der Grundplatte montierten Motoren angetrieben. Die Unterarme sind alle mit der Arbeitsplatte verbunden, an der auch der Effektor montiert wird. Durch ihren besonderen Aufbau und ihre Kinematik bieten Delta-Roboter dynamische Vorteile gegenüber herkömmlichen SCARA oder Knickarmrobotern. Das macht sie für Pick-and-Place- und Highspeed-Anwendungen wie geschaffen. Das Grundmodell des NTB ist vierachsig ausgelegt, verfügt jedoch über eine Schnittstelle, die es ermöglicht bei Bedarf für zukünftige Roboterentwicklungen weitere Achsen zu ergänzen. Als Effektor dient je nach Anwendung ein Magnet oder ein Greifer.

Sensorlose Kraftregelung verlangt spielfreie Antriebslösung

Anders als klassische Industrieroboter sind die kleinen Deltaroboter in der Lage, Kontaktkräfte in einem mitbewegten Koordinatensystem in jede Richtung individuell und unabhängig zu steuern. Das erlaubt Fügeprozesse, bei denen die Position eines Stiftes, der in eine Bohrung gefügt werden muss, in Fügerichtung steif geregelt wird, während die Kräfte in Querrichtung der Fügerichtung gegen Null gesteuert werden. Um solche Prozesse mit konventionellen Robotern realisieren zu können, braucht es einen Kraft-Momenten Sensor, der an die 10.000 Euro kostet. Im Deltaroboter des NTB dagegen wird das alleine durch die Auswertung der hochauflösenden Encoder und der Ausnutzung der spielfreien Getriebe ohne zusätzlichen Sensor realisiert, was die gewünschte kostengünstige Problemlösung erst möglich macht. Dank diesem Lösungsansatz lassen sich auch anspruchsvolle Arbeitsschritte problemlos und kostengünstig automatisieren und bei entsprechender Programmierung kann der Roboter dann z.B. ein Schloss öffnen oder die Höhe verschiedener Teile sensorlos ausmessen und die Teile entsprechend sortieren.

An die eingesetzten Antriebe, die das physikalische Herzstück des Roboters bilden, stellt dies allerdings hohe Anforderungen. Ein möglichst geringes Spiel ist unabdingbar, um eine präzise Positionsregelung und gute Wiederholgenauigkeiten zu erzielen. Aus diesen Gründen fiel die Wahl auf eine Antriebslösung aus dem Hause FAULHABER (vgl. Kastentext). „Dies ist meines Wissens weltweit der einzige Motorenhersteller, der spielfreie Getriebe in der von uns benötigten Kategorie im Programm hat“, erläutert Einar Nielsen, Professor für Automation und Robotik an der NTB. „Hinzu kamen die guten Erfahrungen, die wir bereits bei früheren Projekten mit den kleinen DC-Getriebemotoren dieses Herstellers gemacht haben.“ Treibende Kraft der vier Achsen des kleinen Delta-Roboters der Education Robot Plattform sind deshalb heute DC-Kleinstmotoren der Baureihe 1524, die mit einem spielfreien Getriebe sowie einem magnetischen Encoder kombiniert wurden.

Das „Herz“ des Roboters: Motor, Getriebe und Encoder

Die edelmetallkommutierten Gleichstrommotoren sind bei 15 mm Durchmesser lediglich 24 mm lang, bauen also sehr kompakt und benötigen nur wenig Einbauraum, was der beschriebenen Anwendung natürlich entgegenkommt. Außerdem sind sie ausgesprochen leicht. Sie liefern ein Dauer-Drehmoment bis 2,8 mNm bei Drehzahlen bis 4.500 U/min. Die DC-Kleinstmotoren unterscheiden sich von herkömmlichen Ausführungen hauptsächlich durch den Rotor. Dieser ist nicht auf einen Eisenkern gewickelt, sondern besteht aus einer freitragenden, in Schrägwicklung hergestellten Kupferspule. Der leichte Rotor überzeugt durch ein geringes Trägheitsmoment und rastmomentfreien Lauf, was wiederum der Dynamik zugutekommt. Bei Motoren mit kleiner Leistung haben sich die Edelmetall-Kommutierungssysteme zudem wegen ihres geringen Übergangswiderstands bestens bewährt. Zudem erleichtert die lineare Charakteristik der Motoren die Regelung.

Das nahezu spielfreie Stirnradgetriebe mit sechs Getriebestufen und einer Untersetzung von 76:1 hat den gleichen Durchmesser wie der Motor und ist ebenfalls ausgesprochen leicht. Trotz dieser kleinen Abmessungen schafft die kompakte Motor-Getriebe-Einheit damit ein Dauerdrehmoment von 0.2 Nm und ein Spitzenmoment von 0.3 Nm, dank dessen der kleine Roboter eine Kontaktkraft von beachtlichen 6 N aufbringen kann. Am zweiten Wellenende der Motoren wird der magnetische Encoder montiert. Die bei den Hauptantrieben Delta-Robotern eingesetzte dreikanalige Ausführung liefert 4.000 Impulse pro Umdrehung. Mit dem Getriebe und einer Quadraturauswertung der Sensorwerte führt dies zu einer extrem feinen Positionsauflösung von 1.2 Millionen Inkremente pro Umdrehung am Getriebeausgang, was zu einer extrem feinen Positionsauflösung von 0.26 µm führt. „Die hohe Auflösung ist bei unserer Anwendung sehr wichtig, nicht unbedingt für die Positionierung, sondern für die Geschwindigkeitserfassung. Nur dadurch ist die hohe Steifigkeit bei der Regelung realisierbar“, führt Einar Nielsen weiter aus. Außerdem spart man sich für die Drehmomentregelung die Strommessung, weil die Geschwindigkeit bekannt ist. Zudem wird eine schnelle Strommessung immer teuer.

Von den Eigenschaften der kompakten Antriebslösung lässt sich natürlich auch in vielen anderen Anwendungen profitieren. Die Kleinstmotoren stehen mit Durchmessern von 6 bis 22 mm zur Verfügung, lassen sich mit unterschiedlichen Getrieben, Encodern und Steuerungen kombinieren und für besondere Anforderungen zudem noch modifizieren. Zu den häufigsten Anpassungen gehören beispielsweise Vakuumtauglichkeit, Erweiterung des Temperaturbereichs, modifizierte Wellen, andere Spannungstypen sowie kundenspezifische Anschlüsse oder Stecker. Dementsprechend breit gefächert ist das Anwendungsspektrum; es reicht von der Medizin- und Kameratechnik bis hin zu beliebigen Automatisierungsaufgaben und eben auch der Robotik.

Titelbild: NTB