SARA wird durch Vormachen programmiert.

Bild: DLR

Wege und Kräfte anlernen Roboterarm SARA arbeitet nach Gefühl

10.12.2018

Die Zusammenarbeit mit Robotern in der Fabrik der Zukunft soll vor allem sicher, effizient und kostengünstig sein. Automatisierte Produktion ist jedoch an vielen Stellen noch unflexibel: Kurze Rüst- und Einrichtungszeiten und eine intuitive Programmierung der eingesetzten Roboter werden immer mehr erforderlich. Diese komplexen Fragestellungen will das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit dem Leichtbauroboter SARA angehen.

Ruhig schiebt der Wissenschaftler den Roboterarm an die gewünschte Ausgangsposition. Zuvor ist Oliver Eiberger, zentraler Entwickler des Safe Autonomous Robotic Assistant, kurz SARA, mit dem Leichtbauroboterarm am Flugzeugfenster entlang die gewünschten Arbeitsschritte abgefahren. Nun ist der Roboter selbst in der Lage, die Dichtung am Fenster anzubringen und es einzubauen.

Das Besondere daran ist, dass SARA auf neue Art und Weise angelernt wird. Wenn der Werker mit dem Roboterarm den zu lernenden Weg abfährt und so die damit verbundene Aufgabe zeigt, zeichnet SARA nicht nur die Positionen auf, sondern merkt sich auch gleichzeitig die Kräfte, die aufgewandt wurden. Im Gegensatz zu aktuell bereits eingesetzten kraftgeregelten Roboterarmen lernt SARA so den gesamten Ablauf, nicht nur den abgefahrenen Weg.

Am besten kann man es sich so vorstellen: Wenn man jemandem eine Bewegung mit einem Werkzeug vormacht und dabei beide Personen den Griff des Werkzeugs nebeneinander halten, lernt der Schüler nur die Positionstrajektorie. Legt man hingegen die Hand auf die den Werkzeuggriff haltende Hand des Lernenden, spürt dieser in der Ausführung auch die aufgewandten Kräfte. Dabei zeigt SARA ein sehr robustes Wiedergabeverhalten: Auch wenn sich das Werkstück nicht in derselben Startposition befindet, kann der Roboter die Aufgabe trotzdem erledigen, da er – durch die Wiedergabe der Interaktionskräfte – auch der verschobenen Kontur folgt.

Schnell und gefühlvoll

Dieses Aufzeichnen der Krafttrajektorie während des Lernvorgangs soll eine noch intuitivere Programmierung ermöglichen. Der Roboterarm ist zudem mit Tasten und Display ausgestattet, sodass einzelne Sequenzen ohne Benutzung einer Tastatur zügig aufgenommen und wiedergegeben werden können.

SARA ist schnell und gefühlvoll konzipiert: Der drehmomentgeregelte Roboterarm verfügt über sieben Achsen und 12 kg Traglast bei einem Meter kinematischer Länge. Dabei kann er bis 400 Grad pro Sekunde in den Handachsen umorientieren.

Seine gute Faltbarkeit und kurze Handachse sollen eine hervorragende Nutzung des großen Arbeitsraums und eine gute Erreichbarkeit von verschiedenen Seiten gewährleisten – selbst für große Werkstücke. Durch die Kombination einer speziellen Sensorkinematik und hoher Bandbreite leistet SARA bei Fügevorgängen eine hochabgetastete Überwachung der Kraftverläufe. Dadurch könnten Fügefehler zukünftig schon während des Fügevorgangs erkannt werden.

Zügiger reagieren

Ein weiteres wichtiges Merkmal des Roboterarms ist die durchgängige Optimierung der Dynamik im Mess- und Stellbereich. Durch die spezielle Anordnung von Kraft-/Drehmomentsensoren können Kontakte um mehrere Millisekunden früher detektiert werden.

Zusammen mit einer Regelung des Gesamtarms im 8-kHz-Takt und konsequenter Reduktion der Massenträgheiten soll SARA damit ein vielfach schnelleres Reaktionsverhalten erhalten. Dieses kann nicht nur zur Geschwindigkeitssteigerung in der Aufgabenausführung und steiferem Verhalten im Kraftregelbetrieb, sondern auch zum Schutz des Menschen in der Zusammenarbeit mit dem Roboter durch schnelleres Anhalten bei Berührung genutzt werden.

Leichtbauroboter wie SARA haben am Institut für Robotik und Mechatronik des DLR in Oberpfaffenhofen eine lange Tradition; in den 1990er Jahren entstand die erste Generation von Leichtbauroboterarmen. Die dritte Entwicklungsstufe des LBR wurde 2004 von Kuka lizenziert und ist die technologische Grundlage für den Roboterarm Kuka LBR iiwa.

Produktion geringer Stückzahlen möglich

Der LBR III soll durch seine innovativen Regelungsverfahren ein Meilenstein in der Robotik gewesen sein. Als Teil von Factory of the Future, einem interinstitutionellen Projekt des DLR, geht SARA nach eigenen Angaben nicht nur einen, sondern viele Schritte weiter: Die neue Generation von Robotern soll moderne Elektronik und Mechanik mit innovativen Regelungsverfahren zusammenbringen.

Mit dem Roboterarm lassen sich nach Aussagen des DLR Arbeits- und Produktionsszenarien noch schneller einrichten und an neue Anforderungen anpassen. Die intuitive Bedienung von SARA soll es auch den Arbeitenden leichter machen, sodass Einarbeitungs- und Rüstzeiten verkürzt werden können. Durch diese Flexibilität wird die Produktion von geringen Stückzahlen möglich – und das zu vertretbaren Kosten.

Bildergalerie

  • Durch die Kombination einer speziellen Sensorkinematik und hoher Bandbreite könnten Fügefehler zukünftig schon während des Fügevorgangs erkannt werden.

    Bild: DLR

  • SARA mit einem Motorblock.

    Bild: DLR

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