Robotertechnik. Aus drucktechnischen Gründen leere Folie!

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1 Begleitfolien zum Wahlpflichtfach Studiengang Technische Informatik Von Prof. Dr.-Ing. Heinz Linnemann 1. Einführung 2. Einteilung, Anwendungsfelder, Märkte 3. Bauformen von Industrierobotern 4. Roboterkinematiken 5. Koordinatentransformation 6. Robotersteuerungen 7. Programmierung von Industrierobotern 8. Einsatz von Industrierobotern 9. Mobile, autonome Roboter 10. Ausblick und aktuelle Trends Folie 1 Aus drucktechnischen Gründen leere Folie! Folie 2

2 1. Einführung Literatur Normen Richtlinien Interdisziplinäres Wissensgebiet Historische Entwicklung Entwicklung erster Industrieroboter Entwicklung heutiger Industrieroboter Visionen eines Roboterforschers Folie 3 Literatur Weber, W.: Hesse, S.: Siegert, H.-J.; Bocionek, S.: Wloka, D. W.: Riesler: Dillmann, R.; Huck, M.: Warnecke H.-J.; Schraft, R. D.: Schraft, R. D.: Kroth, E.: N.N.: Industrieroboter. Methoden der Steuerung und Regelung. München, Wien: Hanser, 2002 (ca. 25 ) Industrieroboterpraxis. Wiesbaden: Vieweg, 1998 Robotik: Programmierung intelligenter Roboter. Berlin: Springer, 1996 Robotersysteme. Bd. 1: Grundlagen. Berlin: Springer, 1992 Roboterkinematik - Grundlagen, Invertierung und Symbolische Berechnung. Braunschweig: Vieweg, 1992 Informationsverarbeitung in der Robotik. Berlin: Springer, 1991 Industrieroboter. Handbuch für Industrie und Wissenschaft. Berlin, Heidelberg: Springer, 1990 Automatisierung in der Montage und Handhabungstechnik. (Stand: Juni 2002) Robotic und Automation. (Stand: Juni 2002) Skript Roboter. Folie 4

3 Normen DIN EN 775: DIN : DIN : Industrieroboter Sicherheit. Berlin: Beuth,1993 Informationsverarbeitung Sinnbilder für Struktogramme nach Nassi-Shneiderman. Berlin: Beuth,1985 Industrieroboter Programmiersprache, Industrial Robot Language (IRL). Berlin: Beuth, 1996 DIN , Teil 6: Schaltungsunterlagen Regeln für Funktionspläne. IEC 848 modifiziert. Berlin: Beuth,1992 DIN EN ISO 8373: Industrieroboter Wörterbuch. Berlin: Beuth, 1996 DIN EN ISO 9787: Industrieroboter Koordinatensysteme und Bewegungsnomenklatur. Berlin: Beuth,1999 Folie 5 VDI 2740 Blatt 1: VDI 2739 Blatt 1: VDI 2739 Blatt 2: VDI 2739 Blatt 3: VDI 2853: VDI 2860: VDI 2861 Blatt 1: VDI 2861 Blatt 2: VDI 2861 Blatt 3: VDI 2863 Blatt 1: Richtlinien Mechanische Einrichtungen in der Automatisierungstechnik Greifer für Handhabungsgeräte und Industrieroboter. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1995 Matrizenrechnung Grundlagen für die praktische Anwendung. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1991 Matrizenrechnung Anwendungen in der Kinematik und bei Eigenwertproblemen. Düsseldorf: VDI- Verlag, Matrizenrechnung Technische Anwendungsbeispiele. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1996 Sicherheitstechnische Anforderungen an Bau, Ausrüstung und Betrieb von Industrierobotern. Düsseldorf: VDI- Verlag Montage- und Handhabungstechnik Handhabungsfunktionen, Handhabungseinrichtungen; Begriffe, Definitionen, Symbole. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1990 Montage- und Handhabungstechnik Kenngrößen für Industrieroboter, Achsbezeichnungen. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1988 Montage- und Handhabungstechnik Kenngrößen für Industrieroboter, Einsatzspezifische Kenngrößen. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1988 Montage- und Handhabungstechnik Kenngrößen für Industrieroboter, Prüfung der Kenngrößen. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1988 IRDATA, Allgemeiner Aufbau, Satztypen und Übertragung. Düsseldorf: VDI- Verlag, Düsseldorf: VDI- Verlag, 1987 Folie 6

4 Interdisziplinäres Wissensgebiet Maschinenbau Konstruktion Roboter Elektrotechnik Simulation Regelungsund Antriebstechnik Steuerungstechnik Sensortechnik Programmierung Informatik Folie 7 Historische Entwicklung der 100 Heron von Alexandria: Entwürfe für Automatentheater 1352 Automatische Uhren mit Figurenwerk im Mittelalter, z. B. am Straßburger Münster 1700 Musikspielende Puppen 1730 Vaucansen (Frankreich) baute Musik spielende Puppen in menschlicher Größe (Flötenspieler, Tamburinspieler) und eine künstliche Ente aus über 1000 Teilen die fressen und Exkremente ausscheiden konnte 1760 Schreibender Mensch, automatischer Schachspieler 1774 Jaquet Droz und Sohn bauten drei Droiden (Zeichner, Schriftsteller, Klavierspielerin) 1805 J.M. Jacquard: Programmierbarer, von Lochkarten gesteuerter Webstuhl, der durchaus als spezialisierter Roboter bezeichnet werden kann 1921 Im Science-Fiction-Theaterstück Rossum s Universalroboter von Karel Čapek taucht das erste mal der Begriff Roboter auf (In vielen Slawischen Sprachen bedeutet rabota arbeiten) Folie 8

5 Die Droiden von Droz und Sohn Museum der Schönen Künste, Neuchâtel (Schweiz) Die Automaten von Droz & Droz stellten einen Meilenstein im Automatenbau dar. Vorführungen der etwa 70 cm hohen Menschenautomaten, der Schreiber (links) und der Zeichner (rechts), sind für Besucher sehr beeindruckend. Der Schreiber kann auf einen beliebigen Text bis zu 40 Zeichen Länge programmiert werden. Der Zeichner kann Amor von einem Schmetterling gezogen, einen Hund, sowie die Porträts von Louis' XV., Louis XVI. und Marie Antoinette skizzieren Quelle: Hesse, S.: Golems Enkel, Urania Verlag Leipzig/Jena/Berlin 1986 Folie 9 Entwicklung erster Industrieroboter 1946 USA: G.C. Devol: Steuergerät zur magnetischen Aufzeichnung elektrischer Signale. Die Signale konnten später zur Steuerung mechanischer Geräte wieder benutzt werden. Er reichte mehrere Patente für roboterähnliche Maschinen ein Prototyp einer NC-Maschine am Massachusetts Institute of Technology (MIT), Entwicklung der Programmiersprache APT 1954 England: C.W. Kenward reicht ein Patent einer Roboterentwicklung ein. USA: G.C. Devol arbeitet an dem programmierten Transport von Gegenständen, erhält 1961 dafür ein Patent Erster kommerzieller Roboter der Fa. Planet Corporation für einfache Aufgaben, z.b. Punktschweißen 1960 Erster Roboter der Fa. Unimate installiert (basierte auf Arbeiten von Devol). Der Roboter wurde hydraulisch angetrieben und von einem Computer nach dem Prinzip der NC-Technik gesteuert Erster Roboter vom Typ Unimation bei Ford installiert. Folie 10

6 Entwicklung heutiger Industrieroboter 1971 Erster Robotereinsatz in Deutschland bei Daimler-Benz 1972 Roboter werden für die Informatik ein Thema 1975 Erste Montageoperationen durch den SIGMA-Roboter von Olivetti 1978 Einführung der PUMA Serie (Programmable Universal Machine For Assembly). Elektrisch angetrieben, basierte auf Entwürfen von General Motors, gebaut von Fa. Unimation Yamanaski-Universität, SCARA-Prinzip (Selective Compliance Assembly Robot) 1980 Entwicklungsarbeiten zum Greifen und Fügen mit Kameraunterstützung Beginn der Entwicklung von autonomen mobilen Robotern 1992 Beginn der Entwicklung von Servicerobotern 1997 Erste Weltmeisterschaft im Roboter-Fußball in Tokio 1998 Das Stanford Research Institute entwickelt einen mobilen experimentellen Roboter ( Shakey ). Integration von Sichtsystem (Kamera) und taktilen Sensoren. Folie 11 Visionen eines Roboterforschers Zunahme der kognitiven, motorischen und sensorischen Fähigkeiten: 2010: MIPS (Reptilien) Universelle Wahrnehmung, Manipulation und Mobilität 2020: MIPS (Säugetiere) Anpassungs- und Lernfähigkeit, Erfahrungen 2030: MIPS (Primaten) Gestaltung der Umwelt, Bewusstsein durch Simulation, Reproduktion in Fabriken 2040: MIPS (Menschen) Logisches Denken, Nachdenken Hinweis: Die Leistung eines aktuellen Pentium-Prozessors kann mit etwa MIPS angenommen werden (Stand 2002) Quelle: Moravec, Hans: Geisteskinder, Universelle Roboter: In vierzig Jahren haben sie uns überholt. c t 6/96, S. 98 Folie 12

7 2. Einteilung der Roboter, Anwendungsfelder und Märkte Einteilung der Handhabungsgeräte Abgrenzung, Begriffsdefinitionen Einteilung nach Einsatzgebieten Industrieroboter Serviceroboter Geländeroboter Neue Anwendungsfelder - Sanierung - Medizin - Hobby, Freizeit Fußballspielende Roboter (RoboCup) Einsatzzahlen und Märkte von Industrierobotern Märkte für Serviceroboter Folie 13 Einteilung der Handhabungsgeräte Handhabungsgeräte Manuell gesteuert Programmgesteuert Fest programmiert Frei programmiert Manipulator, Teleoperator Einlegegeräte (Pick-And-Place) Industrieroboter Nach der VDI-Richtlinie 2860 Blatt 1 bilden Industrieroboter eine Untergruppe der Handhabungseinrichtungen. Unter Handhaben sind alle Vorgänge zu verstehen, bei denen ein Objekt in eine definierte Lage im Raum gebracht und/oder in dieser vorübergehend gehalten wird (Werkstückhandhabung); oder bei denen mit dem Objekt eine definierte Bewegung ausgeführt wird, um eine bestimmte Arbeitsaufgabe auszuführen (Werkzeughandhabung). Folie 14

8 Abgrenzung des Begriffs Industrieroboter Ein Industrieroboter ist keine NC-Maschine (Numerically Controlled Machine) Hauptaufgabe NC-Maschine: Formgebende Bearbeitung eines Werkstückes Hauptaufgabe Industrieroboter: Handhabung von Werkstücken, Montage Die Übergänge sind jedoch fließend! Ein Industrieroboter ist kein Teleoperator wie er z.b. in Kernkraftwerken eingesetzt wird: Die Bewegung eines Teleoperators wird unmittelbar vom Menschen gesteuert. Ein Industrieroboter ist kein Einlegegerät Das Einlegegerät ist eine "mit Greifern ausgerüstete Handhabungseinrichtung, die vorgegebene Bewegungsabläufe nach einem festen Programm abfährt". Quelle: N.N.: FH-Weingarten Folie 15 Begriffsdefinitionen VDI-Richtlinie 2860: Industrieroboter Universell einsetzbarer Bewegungsautomat mit mehreren Achsen, deren Bewegungen [ ] programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungsund/oder Fertigungsaufgaben ausführen. Europäische Norm EN 775: Industrieroboter Ein Roboter ist ein automatisch gesteuertes, wiederprogrammierbares, vielfach einsetzbares Handhabungsgerät mit mehreren Freiheitsgraden, das entweder ortsfest oder beweglich in automatisierten Fertigungssystemen eingesetzt wird. Robot Institute of America: A programmable, multifunction manipulator designed to move material, parts, tools, or specific devices through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks. Encyclopaedia Galactica (D. Adams): Technische Vorrichtung, die dazu dient, dem Menschen die Arbeit abzunehmen. P. Hoppen: Autonomer mobiler Roboter Maschine, die sich in einer natürlichen Umgebung aus eigener Kraft und ohne Hilfestellung von außen bewegen und dabei ein ihr gestelltes Ziel erreichen kann. [ ] Dabei erkennt sie die Umwelt, sofern dies notwendig ist, über eigene Sensoren. Angelehnt an: Guicking, Axel, Lehrstuhl für Informatik VI, Universität Würzburg, 2000 Folie 16

9 Einteilung der Roboter nach Einsatzgebieten Industrieroboter Arbeiten in Fabriken und Montagehallen: Schweißroboter, Lackierroboter, Montageroboter,... Serviceroboter (In der Entwicklung, erste Anwendungen) Arbeiten in anderen, von Menschen bevölkerten Gebieten: Putzroboter, Rasenmäher, Museumsführer,... Geländeroboter (Beginn der Entwicklung) Arbeiten in der rauen Natur oder an Orten, die für Menschen nicht mehr zugänglich sind: Tiefsee, Weltraum, Kernkraftwerke, Kanalreinigung, Orangen pflücken,... Autonome Roboter / Agentensysteme (Forschung) Fußballspieler, Laufmaschinen, Artificial Life, Androiden Folie 17 Industrieroboter Arbeiten in komplett von Menschen geschaffener Umwelt (Fabriken) Heute sind eine knappe Million Industrieroboter weltweit im Einsatz (der Großteil davon in Japan, gefolgt von Deutschland und den USA). Meist nicht autonom und nicht mobil: Roboter müssen an neue Produkte von Menschen angepasst, also umprogrammiert werden. Häufig Fließbandarbeit wie Schweißen, Polieren, Lackieren,... Unterstützung der menschlichen Arbeitskräfte durch Handhabung von Bauteilen (Zusammensetzen von Autos). Kooperierende Roboter (Cobot): Roboter verrichten gemeinsam mit Menschen eine Arbeit. Bild: Fanuc Robotics Folie 18

10 Serviceroboter Arbeiten in einer zumindest teilweise künstlichen Umwelt, in der Menschen leben. Unterscheidung zwischen: Roboter zur Unterstützung menschlicher Arbeit wie Putzroboter,... Interaktive Serviceroboter wie Museumsführer, Pflegeroboter Unterstützende Serviceroboter: SkyWash: Putzroboter für Jumbojets (Preis: 5 Mio. DM, Fraunhofer-IPA) SIRIUSc: Fassadenreinigungsroboter für Hochhäuser (Fraunhofer-IFF) Lely: Melkroboter mit individueller Kuh-Erkennung Tennisballsammler Pioneer I mit Farbkamera und Bürste Folie 19 Interaktive Serviceroboter Für den interaktiven Umgang mit Menschen ist Kommunikation erforderlich. RHINO: Ein autonomer, mobiler, interaktiver Museumsführer der Universität Bonn. Hauptschwerpunkte: Schnelle und zuverlässige Bewegung in hochdynamischer Umwelt Interesse der Besucher wecken Interaktionsfähigkeit (Touchscreens) Toleranz gegenüber unkooperativen Museumsbesuchern Fernsteuerung über Web-Interface Literatur: W. Burgard et al.: Experiences with an interactive museum tourguide robot. Artificial Intelligence 114 (1999), S Museum für Kommunikation, Berlin (Fraunhofer-IPA): Komm-rein : Begrüßt die Besucher, gibt aktuelle Infos Also-gut : Führt die Besucher durch das Museum Mach-was : Animiert die Besucher zum Ball spielen Folie 20

11 Geländeroboter Arbeiten in praktisch natürlicher Umwelt ( draußen ). Einsatz in der Natur oder in Gebieten, die für Menschen nicht oder nur schwer zugänglich sind: Tiefsee, Weltraum gefährlich sind: Minensuche, Unfälle in Kernkraftwerken KURT/MAKRO: Kanalreinigungsroboter der Fraunhofer-Gesellschaft: Konventionelle Reinigung ist sehr zeit- und damit kostenintensiv, da Inspektionsplattformen häufig umgesetzt werden müssen. Kurt: Autonome mobile Roboterplattform zur Erkennung von Rissen etc. Versagt bei höheren Stufen. Makro: 5 Segmente, 4 Knickelemente, kann Höhenunterschiede bis zu 35 cm überwinden. Folie 21 Neue Anwendungsfelder: Sanierung Autonome Kletterroboter sind prädestiniert, Aufgaben bei der Sanierung von Kernkraftwerken oder Betonbauwerken zu übernehmen. Der Einsatz menschlicher Arbeitskräfte wäre hier zu gefährlich, zu teuer oder gar technisch unmöglich. Die im englischen Portsmouth ansässige Firma Portech Ltd. entwickelt Service Roboter für Sanierungsaufgaben wie z.b. den Demonstrator ROBUG 2. Der spinnenähnliche Roboter besitzt vier mit Sauggreifern ausgerüstete Beine, die über ein Drehgelenk im Zentrum des Systems paarweise verbunden sind. Schritt für Schritt bewegt sich ROBUG 2 vorwärts; wegen seines tiefen Schwerpunktes läuft er sehr stabil. Er kann sogar vom Boden aus eine vertikale Wand hochklettern. Quelle: Portech Ltd., UK Folie 22

12 Neue Anwendungsfelder: Medizin Fraunhofer IPA / Siemens AG: Prototyp OP 2015: Medizinisch universell einsetzbares mechatronisches Assistenzsystem bestehend aus: Operationsroboter mit Stabkinematik (Hexapod). Diese Bauform erlaubt extrem hohe Genauigkeiten im Mikrometerbereich und bietet hohe Steifigkeit bei vergleichsweise kleinem Bauraum. Steuerung des Operationsroboters aus einem flugsimulatorähnlichen Operationscockpit. Taktile Rückkopplung der Bewegung zur Unterstützung bei der Bedienung des Systems. Cockpit Quelle: Schraft, Uni Stuttgart, Fraunhofer IPA Folie 23 Neue Anwendungsfelder: Hobby, Freizeit Firma GolfPro International, Santa Clara, Kalifornien: Autonomer Golf-Caddy. Kann seit Herbst 1997 auf Amerikas Golfplätzen für 10 $ pro Runde gemietet werden. Ein Sender in der Hosenasche des Golfers meldet dem Roboter, wenn sich der Sportler zum nächsten Loch begibt. Eine im Onboard-Computer gespeicherte Karte des Golfplatzes dient in Verbindung mit einem eingebauten GPS-System zur absoluten Positionsbestimmung des Robotercaddy. Ultraschallsensoren verhindern den Kontakt mit unvorhersehbaren Hindernissen. Mit Hilfe eines Displays kann sogar die momentane Entfernung zum nächsten Loch abgerufen werden. Quelle: Schraft, Uni Stuttgart, Fraunhofer IPA Folie 24

13 Der RoboCup Populäre internationale Wettbewerbe in verschiedenen Ligen. Erfordert Fähigkeiten auf verschiedenen Gebieten: Autonome Agenten, Multi-Agenten-Kollaboration, Strategieentwicklung und -anpassung, Echtzeitauswertung von Sensordaten (Vision, Laserscans). Ligen sind beispielsweise: Simulationsliga, F-2000 Liga (Königsdisziplin), Sony Legged Robot League. Weitere Infos: und beim Spiegel-Online: Folie 25 Einsatz von Industrierobotern - international Installierte Roboter (gesamt) in 2011 Land Japan 1) USA, CDN, MEX Europa Deutschland Italien Frankreich England Andere Europa Südkorea 1) Taiwan 1) China 1) Weltweit Stück ) Japan/Asien rechnet so genannte roboterähnliche Spezialgeräte den Robotern zu. Quelle: United Nations International Federation of Robotics. Jahrbuch Hersteller Fanuc ABB Kuka In Europa verkaufte IR in 2001 England: 1800 IR 6% Frankreich: 3400 IR 11% Spanien: 3700 IR 12% Sonstige: 2700 IR 9% Italien: 6400 IR 21% Hergestellte Roboter in Quelle: VDI nachrichten 9. August 2002 Deutschland: IR 41% Quelle: United Nations International Federation of Robotics. Jahrbuch World Robotics 2002, Stand 2001 Folie 26

14 Einsatz von Industrierobotern in Deutschland Anzahl Industrieroboter in Deutschland Beschichten Punktschweißen Bahnschweißen Entgraten Kabelbaummontage Kleinteilemontage Bestücken Sonstige Montage Werkzeughandhabung Pressen Schmieden Druck-/Spritzguß Werkzeugmaschinen Sonstige Werkstückhandhabung Handhabung im Reinstraum Werkstückhandhabung Forschung, Test und Schulung Angelehnt an: Kroth, Eberhard: Fa. Reis Robotics Folie 27 Kundenbranchen der Industrieroboter in Deutschland Maschinenbau 38 % 17 % 4,3 Mrd. (2005) 28 % Automotive Sonstige, bzw. keine Zuordnung Chemie, Gummi, Kunststoff Nahrungsmittel 3 % 3 % Metallerzeugnisse 3 % 8 % Nachrichtentechnik, elektron. Bauelemente Quelle: VDMA, Robotik und Automation. Entnommen aus VDI nachrichten 19/06 Folie 28

15 M rd Industrieroboter - Markt in Deutschland Umsatz Robotik und Automation Exportanteil: ~50% Jahr Montage- und Handhabungstechnik Quelle: FV Robotik + Automation im VDMA (entnommen aus VDI-Nachrichten 16/02, 47/03 und 19/06, VDI-Z 151 (2009) 4, S. 15) Robotik Folie 29 Einsatz von Servicerobotern - international Reinigung Inspektion Bau / Abbruch Melkroboter Medizin / Operation Mobile Plattform (allg.) Wachdienst / Minensuche Unterwassersysteme Humanoide (F&E, Unterhaltg.) Handicap / Assistance Haushalt Erziehung / Ausbildung Unterhaltung, Hobby, Freizeit Quelle: United Nations International Federation of Robotics. Jahrbuch World Robotics 2003 und VDI-Nachrichten 45/2006 (IFR Stat. Dep., eigene Schätzung) Aibo Roboterhunde von Sony: in 2003 Folie 30

16 3. Bauformen von Industrierobotern Komponenten eines Industrieroboters Grundtypen von Industrierobotern Kartesische Roboter und Portalroboter Horizontal-Knickarmroboter (SCARA) Vertikal-Knickarmroboter Parallelkinematiken Anwendungsbeispiele Vergleich konventioneller Roboter / Parallelkinematiken Einsatzspezifische Kenngrößen Folie 31 Komponenten eines Industrieroboters Ein Industrieroboter besteht aus folgenden Komponenten: Fahrzeug: Lokomotion (bodengebunden, schwebend oder unter Wasser). Meist 3 Freiheitsgrade (x/y-richtung und Rotation um z- Achse). Roboterarm: Führt den Endeffektor und besteht aus rotatorischen und translatorischen Achsen. Meist 4-6 Freiheitsgrade. Effektor, Endeffektor, Hand: Interaktion mit der Umwelt, Manipulation von Werkstücken, Werkzeugen, Messzeugen oder Beobachtungsgeräten, beispielsweise Kameras. Roboterarm Effektor Fahrzeug Folie 32

17 Grundtypen von Industrierobotern Kartesischer Roboter: Portalroboter Polarroboter Pendularroboter Nach DIN EN ISO 8373, 1996 Zylindrischer Roboter (Horizontal-Knickarmroboter) Gelenkroboter (Vertikal-Knickarmroboter) Folie 33 Kartesische Roboter und Portalroboter Verfahren in kartesischen Raumkoordinaten ohne Koordinatentransformation möglich (einfache Steuerung) keine großen Anforderungen an das räumliche Vorstellungsvermögen des Programmierers steife Struktur, daher sehr große Arbeitsräume möglich (Portalroboter) großer Kollisionsraum große Stellfläche niedrige Arbeitsgeschwindigkeit Spiel in den Achsführungen unvermeidlich Arbeitsraum innerhalb der Roboterabmessungen Quellen: R.D. Schraft, Uni Stuttgart, Fraunhofer IPA, Fa. Reis Robotics Anwendungsgebiete: Palettieren, Kommissionieren Fertigteilfertigung für die Bauindustrie Beschicken von Werkzeugmaschinen Folie 34

18 Horizontal-Knickarmroboter (SCARA) Bei Fügeprozessen und Palettierarbeiten im Rahmen von Montageaufgaben gelten die folgenden Anforderungen: geringe Werkstückmassen sehr kurze Taktzeiten hohe Positioniergenauigkeit kleiner notwendiger Arbeitsraum. Zwei Bauarten für vertikale Achse: Als erste Achse Als vierte Achse SCARA = Selective Compliance Assembly Robot Arm (Montage Roboter mit selektiv elastischem Arm). hohe Steifigkeit in vertikaler Richtung Eigengewicht des Roboters wirkt nicht auf die Antriebe hohe Geschwindigkeit und Beweglichkeit auch bei großen Reichweiten Form des Arbeitsraums beschränkt die Anwendungsgebiete Anwendungsgebiete: Montage, Fügen, Bestücken von Leiterplatten und Magazinen, Löten Quellen: R.D. Schraft Fraunhofer IPA, C. Woernle Uni Rostock, Fa. Sankyo Folie 35 Vertikal-Knickarmroboter Geringes Störvolumen Umgreifen von Hindernissen möglich Von allen Roboterbauarten am universellsten einsetzbar Belastung der Antriebe durch das Eigengewicht erfordert meist einen Gewichtsausgleich Handachs- Motoren als Gegengewicht Handachsen meist als Zentralhand : Drei sich in einem Punkt schneidende Drehachsen Hydropneumatischer Gewichtsausgleich KUKA KR 500 Anwendungsgebiete: Beschichten und Lackieren Punkt- und Bahnschweißen Werkstückhandhabung Palettieren Entgraten, Kleberauftrag Quelle: C. Woernle, iam Uni Rostock Folie 36

19 Parallelkinematiken Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern wirken die Antriebsachsen parallel auf den Endeffektor. Eine Parallelkinematik besteht in der Regel aus einer festen und einer bewegten Plattform, die über mehrere parallele kinematische Glieder miteinander verbunden sind. Dadurch ergeben sich einige prinzipielle Unterschiede: Vorteile: Höhere Genauigkeit und Steifigkeit, da sich die Positionierfehler und Elastizitäten der einzelnen Antriebsachsen nicht addieren. Besseres Last-Massen-Verhältnis, da die Antriebe direkt auf die Last wirken und nicht noch zusätzlich nachfolgende Armglieder tragen müssen. Nachteile: Eingeschränkter Arbeitsraum, da sich die Bewegungen der Antriebseinheiten ebenfalls nicht addieren. Kinematische und dynamische Beziehungen aufgrund der geschlossenen kinematischen Ketten erheblich komplexer. Bewegte Plattform Kinematisches Glied Feste Plattform Folie 37 Anwendungsbeispiele für Parallelkinematiken Bewegungssimulatoren: Aufgrund hoher Lastmassen und Beschleunigungen werden Bewegungssimulatoren in der Regel als hydraulische Plattformen aufgebaut. Hexamove (Hexapod) der Fa. OHE Hagenbuch AG Flugsimulator 737 FNPT II der Fa. Frasca Int., Inc. Industrieroboter: Fanuc F-200i (Last: 100 kg; Masse: 170 kg) Flexpicker IRB340 (Delta-Roboter) von ABB für extrem hohe Geschwindigkeiten Folie 38

20 Parallelkinematik-Roboter ABB IRB 940 (Tricept) Typische Einsatzgebiete Mechanische Bearbeitung (Trennen, Bohren, Schleifen) Schweißen, Brennschneiden Eigenschaften Teilweise geschlossene kinematische Kette Günstig für Aufnahme von Bearbeitungskräften Schubgelenk (passiv) Drehgelenke (passiv) Kardangelenke Parallele Hybridstruktur: q 1 q 2 q 3 Schraubtriebe Bis zu drei serielle Handachsen Nach C. Woernle, iam - Uni Rostock, 2003 Folie 39 Vergleich konventioneller Roboter / Parallelkinematiken Serielle Roboter Parallelkinematiken Absolutgenauigkeit Wiederholgenauigkeit Steifigkeit Last/Massen-Verhältnis Beschleunigungen am Endeffektor Arbeitsraum (Größe, Hindernisvermeidung) Flexibilität (Anpassbarkeit an Aufgabenstellung) Math. Berechnungsaufwand (Kinematik, Dynamik) besser besser einfacher besser besser besser besser besser Folie 40

21 Einsatzspezifische Kenngrößen für Roboter Geometrie Mechanische Systemgrößen Bewegungsraum, Arbeitsraum Kinematik Geschwindigkeiten Beschleunigungen Überschwingen Zykluszeiten Belastung Nennlast Werkzeuglast Nutzlast Maximallast Nennmomente Genauigkeit Wiederholgenauigkeit mittlere Positionsstreubreite mittlere Orientierungsstreubreite mittlere Umkehrspanne Referiergenauigkeit Mittlere Genauigkeit, mit der ein Punkt im Arbeitsraum angefahren wird Räumliche Auflösung Beispiel: 1 m Bewegungsbereich und 16 Bit Darstellgenauigkeit ergibt 2 16 = Schritte. Damit folgt: 1 m / = 0, m = 0,015 mm = 15 µm Auflösung. Folie 41 Aus drucktechnischen Gründen leere Folie! Folie 42