Bericht zur Fertigungsrobotik: Hardware

Sensoren

Sensoren dienen Robotern dazu, ihre Umgebung wahrzunehmen. Sie ähneln den menschlichen Sinnen (Sehen, Hören, Riechen, Tasten und Gleichgewicht).

Zu den gängigen Arten von Robotersensoren zählen:

• Kameras zur visuellen Erfassung
  der Umgebung
• Mikrofone zur Aufnahme von
  Geräuschen
• Kraftsensoren zum Erkennen von
  Gewicht und Widerständen
• Näherungssensoren zum Erkennen
  von Objekten in einer Umgebung
• Gyroskope zur Ermittlung der
  Ausrichtung des Roboters
• Umgebungssensoren zum Messen
  von Luftfeuchtigkeit, Temperatur,
  Gasen, Schadstoffen und anderen
  Faktoren

Sensoren sind passive Geräte, die den Roboter selbst nicht steuern.

Stattdessen werden die von ihnen erfassten Informationen an eine Zentraleinheit ("Central processing unit", CPU) gesendet und dort in eine Aktion umgesetzt.
Einer der größten Trends bei Robotersensoren ist die zunehmende Verwendung von Ultraschallsensoren. Ein Ultraschallsensor misst die Entfernung eines Zielobjekts, indem er Ultraschallwellen aussendet und den reflektierten Schall in ein elektrisches Signal umwandelt.
Ultraschallsensoren bestehen aus zwei Hauptkomponenten: einen Sender (der mithilfe von piezoelektrischen Kristallen einen Ton ausgibt) sowie einen Empfänger (der das vom Zielobjekt reflektierte Echo erfasst).

Zentraleinheit (CPU)

Die Zentraleinheit bzw. CPU ist die Schnittstelle zwischen den Robotersensoren und dem Steuerungssystem. Sie analysiert, welche Befehle der Roboter ausführen soll, und sendet diese an die jeweiligen Komponenten. In automatisierten Robotern verarbeitet und interpretiert die CPU die von den Sensoren erhaltenen Informationen, führt Berechnungen durch und wendet gegebenenfalls Machine-Learning Algorithmen an. Man könnte sagen, sie ist das Gehirn des Roboters.

Die CPU übernimmt auch die
Fehlerbehandlung. Wenn der Roboter
einen Befehl nicht ausführen kann oder
etwas Unerwartetes in der Umgebung
des Roboters passiert, bestimmt die
CPU, wie der Roboter mit der Situation
umgeht.

Um einen Fehler zu beheben, kann die
CPU beispielsweise:

• den Befehl erneut ausführen;
• Anforderung der manuellen Steuerung
  durch den Roboterbediener;
• den Fehler als Datenpunkt für maschinelles
  Lernen aufzeichnen;
• den Roboter deaktivieren.

Bei teilautonomen oder manuell gesteuerten Robotern können die Sensordaten an einen Bediener weitergeleitet werden. Die Befehle des Bedieners werden über die CPU an den Roboter zurückgesendet.

Einige Roboter können mit einem leichteren Single-Board-Computer (SBC) als Middleware ausgestattet sein, der Eingaben verarbeitet und Befehle sendet. Der SBC erfasst die Sensordaten und leitet diese zur Weiterverarbeitung an eine externe CPU weiter. Die CPU sendet anschließend Befehle zurück an den Roboter, die vom SBC analysiert und an die entsprechenden Komponenten übermittelt werden.

Mit dem Aufkommen von künstlicher Intelligenz und Edge Computing verfügen  neuere SBCs über KI-freundliche Designs, um die Effizienz zu steigern und mehr Anwendungen zu ermöglichen. Mittels Edge-Computing können Daten dezentral am Netzwerkrand verarbeitet und analysiert werden, um schnelle Echtzeit-Einblicke zu erhalten. Dies erleichtert den Einsatz und die Anpassung von SBC in IoT-basierten Systemen. Einer der wesentlichen Vorteile von SBC ist die flexible Plattformkonfiguration. Das System kann mit minimalen Anforderungen entworfen und dann je nach Anwendung erweitert werden. Zweckbestimmten PC-Systemen fehlt diese Agilität.

Steuerungssystem

Das Steuerungssystem des Roboters sendet Befehle ähnlich dem menschlichen Nervensystem an die zu bewegenden Roboterteile. Das Steuerungssystem des Roboters hängt von dem Grad der Autonomie des Roboters ab.

• Vollständig autonome Roboter verfügen in der Regel über einen geschlossenen Regelkreis, um vorprogrammierte Aufgaben auszuführen. Die CPU bestimmt anhand der Sensordaten die Aktion und erkennt, ob diese ordnungsgemäß ausgeführt wird.
• Bei manuellen Robotern erhält das Steuerungssystem Befehle über eine externe Konsole von einem Bediener. Die CPU leitet die Befehle des Bedieners an den Roboter weiter.
• Bei teilautonomen Robotern ist das Steuerungssystem eine Mischung aus Regel- und Steuersystemen. Abhängig vom Autonomiegrad trifft der Bediener alle wichtigen Entscheidungen über das Steuerungssystem oder der Roboter fordert menschliche Eingaben nur bei Bedarf an.

Die Hardware für das Steuerungssystem des Roboters kann je nach Umgebung, auszuführenden Aufgaben und Herstellungsfähigkeiten stark variieren.

Hier ein paar Beispiele:

• Ein manueller oder teilautonomer Roboter kann mit unterschiedlicher Hardware gesteuert werden, wie etwa einem PC, einem speziell entwickelten Handterminal, einem Headset, Pedalen, einem Mikrofon für Sprachbefehle oder sogar einem textilbasierten Controller, wie etwa einem haptischen VR-Bodysuit.
• Autonome Roboter können vollständig über die integrierte CPU oder durch Software auf einem externen Server gesteuert werden.

Motoren und Stellantriebe

Motoren und Stellantriebe sorgen für die Bewegung des Roboters. Sie ähneln dem menschlichen Muskel- und Herz-Kreislauf System. Ohne sie kann der Roboter keine  physischen Aufgaben ausführen.

Dank technologischer Fortschritte werden die Motoren zunehmend kompakter und können in immer mehr Bereichen eingesetzt werden. Die Gehäuse werden häufig im Spritzgussverfahren hergestellt. Zu den jüngsten Entwicklungen im Motorenbau gehören neue Permanentmagnete, die mehr Leistung in kleineren Motoren ermöglichen. Hochauflösende Encoder und Motortuning verbessern die Genauigkeit und die Zykluszeiten. Dies ermöglicht präzisere Robotikanwendungen und verbessert die Wiederholbarkeit und den Durchsatz der Roboter sowie deren Automatisierung. Kleinere Motoren mit verbesserten Verhältnissen zwischen Drehmoment und Gewicht erreichen kurzzeitig höhere Spitzengeschwindigkeiten. Auch die Beschleunigung und Verzögerung erfolgen schneller. Durch die kompakteren Motoren reduziert sich auch die Masse der Roboter, was für erhöhte Steifigkeit und Schwingungsdämpfung sorgt.

Während sowohl Motoren als auch Stellantriebe für die Bewegung des Roboters zuständig sind, dienen sie dennoch unterschiedlichen Zwecken.

• Motoren haben eine Drehbewegung und dienen in der Regel zur kontinuierlichen Leistungsversorgung. Ein Motor kann beispielsweise für die Fortbewegung eines Roboters oder den Betrieb eines internen Lüfters oder eines Bohrers verwendet werden.
• Stellantriebe haben eine lineare Bewegung und werden in der Regel für die präzisere Bedienung genutzt. Mit einem Stellantrieb lässt sich beispielsweise die flexible Beugebewegung eines Roboterellbogens oder die Drehbewegung eines Roboterrumpfs erzeugen. Stellantriebe werden in der Regel elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betrieben.

Der Freiheitsgrad (Degree of Freedom, DOF) ist ein wichtiges Konzept der Roboterbewegung. Gemeint sind damit die Achsen, entlang derer sich ein mechanisches Gelenk bewegen kann. Der DOF eines Robotergelenks wird durch die Hardware, einschließlich der für die Bewegung zuständigen Stellantriebe, begrenzt.

Endeffektoren

Endeffektoren (auch als End-of-Arm-Tooling bzw. EOAT bezeichnet) sind mechanische Baugruppen am Ende eines Roboterarms, mit denen der Roboter physische Objekte handhaben kann.

Endeffektoren sind sozusagen die Hände des Roboters.

• Sie können auf einzelne Aufgaben spezialisiert sein, wie etwa den Einsatz bestimmter Werkzeuge. Diese Endeffektoren lassen sich extrem vielseitig bestücken, etwa mit Bohrern, Schleifgeräten, Hochdruckreinigern, Saugnäpfen oder Werkzeug für wissenschaftliche Untersuchungen.
• Greiferartige Endeffektoren hingegen können für allgemeinere Aufgaben genutzt werden und unterschiedliche Objekte greifen und halten. Greifer können viele Formen haben, wie etwa durch Stellantriebe gesteuerte Klemmen, elektromagnetische Halterungen oder statische Vorrichtungen wie Haken oder speziell entwickelte Befestigungselemente.

Einige Roboter kombinieren beide Arten von Endeffektoren. Ein zum Schweißen von Rohren eingesetzter Roboter kann beispielsweise einen Werkzeugarm mit einem Schweißbrenner und einen Greiferarm haben, der das zu verschweißende Rohrende in Position hält.

Durch austauschbare Endeffektorsysteme kann der Bediener das beste Werkzeug oder den passenden Greifer für eine Aufgabe wählen. Auch Greifer können zum Teil Werkzeug halten und bedienen, lassen sich manuell oft jedoch weniger genau steuern als werkzeugspezifische Endeffektoren.

Die Softrobotik erweitert die Vielseitigkeit der Endeffektoren, indem starre Komponenten durch weichere und flexiblere Endeffektoren ersetzt werden. Ziel der Softrobotik ist, biologische Eigenschaften nachzuahmen, um empfindliche oder nachgiebige Objekte handhaben zu können. Flexiblere Roboteroberflächen können auch die Sicherheit der Bediener erhöhen.

Steckverbinder

Steckverbinder dienen in der Robotik dazu, Befehle und Leistung im Roboter weiterzuleiten. Für den Betrieb von Motoren, Stellantrieben, Sensoren und Endeffektoren sind Datenbusse und elektrische Schaltkreise erforderlich.

In der Robotik kommen unter anderem die folgenden Arten von Steckverbindern zum Einsatz:

• Robuste Steckverbinder: Sie dienen zur Daten- und Leistungsübertragung und sind beispielsweise Rundstecker, Push-Pull-Stecker sowie Mikro-D-Steckverbinder. Sie werden von Hand verbunden, verhindern jedoch ein versehentliches Trennen. Rundstecker können äußerst kompakt sein und eignen sich daher hervorragend für kleinere bewegliche Teile an Endeffektoren und Robotergelenken.
• Netzwerkstecker Diese Steckverbinder dienen der Datenübertragung. Sie ermöglichen eine schnellere Verbindung als herkömmliche Universalstecker. RJ45-Stecker sind handelsübliche Ethernet-Anschlüsse, die in unterschiedlichen flexiblen Gehäusen in der Industrierobotik eingesetzt werden.
• Drahtlose Datenverbindungen
  Mobile Roboter benötigen drahtlose Stecker, damit Sensordaten und Befehle über eine WLAN- oder Funkverbindung übertragen werden können. Sie werden auch in stationären Industrierobotern eingesetzt, die mit einem zentralen Server verbunden sind.

In der Robotik werden heute unterschiedlichste Arten von Steckverbindern verwendet. Handelsübliche Stecker sind in Gehäusen erhältlich, die rauen Umgebungen standhalten und dennoch ausreichend flexibel sind, um Roboterbewegungen durchzuführen. Steckverbinder können sowohl das Design und die Konstruktion von Endeffektoren und Robotergliedern als auch die Geschwindigkeit der Datenübertragung beeinflussen.