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Energieeffiziente Seilroboter

Industrieroboter in Leichtbauweise

Energieeffiziente Seilroboter

Auf dem Kongress der SPS IPC Drives 2013 in Nürnberg wurde erstmals der Innovationspreis der Automatisierungsindustrie verliehen. Der erste Preis wurde für ein Projekt des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA zur 'Energieeffizienz von Seilrobotern' verliehen: Durch die Reduktion von Seilkräften lassen sich Verbräuche senken und die Mechanik schonen.

Bild: Fraunhofer IML

Energieeffizienz spielt eine steigende Rolle in der Gestaltung von Produktionsprozessen. Vor diesem Hintergrund hat das Fraunhofer IPA ein neues Verfahren zur Reduktion von Seilkräften beim Einsatz von Seilrobotern vorgestellt: Die Konstruktion setzt auf bewährte Standardkomponenten und Steuerungstechnik und fügt diese zu einem intelligenten Robotersystem zusammen. Eine mögliche Vorgehensweise, um den Energieverbrauch klassischer Robotersysteme zu senken, ist die konsequente Anwendung von Leichtbauprinzipien. Parallele Seilroboter erfüllen die Forderung nach Anwendung von Leichtbauprinzipien schon teils aus sich heraus: Zur Kraftübertragung werden Kunstfaserseile statt schwerer Metallarmglieder verwendet. Darüber hinaus sind die Seilwinden mit der kompletten Antriebstechnik fest mit dem Maschinenrahmen verbunden, sodass der Seilroboter nur eine gering bewegte Masse besitzt. Daraus resultieren neben hoher Energieeffizienz eine Reihe weiterer positiver Eigenschaften gegenüber konventionellen Robotersystemen: Es lassen sich nahezu ohne zusätzlich bewegte Massen sehr große Arbeitsräume mit einer Kantenlänge von deutlich mehr als zehn Metern realisieren.

Durch diesen Aufbau wird zudem ein Eigengewicht zu einem Nutzlastverhältnis von unter 1:5 erreicht, während typische serielle Industrieroboter ein Verhältnis von lediglich 10:1 aufweisen. Im Gegensatz zu einem Kran wird die Last bei einem Seilroboter von mehreren Seilen getragen. Dadurch wird das Nachschwingen der Last unterbunden. Durch die wechselseitige Verspannung der Seile weist die Plattform eine hohe Steifigkeit gegenüber externen Kräften auf. Die Roboter sind bezüglich ihres Arbeitsraumes, Dynamik und Nutzlasten in weiten Bereichen skalierbar. Vergleichbar mit Delta-Robotern sind Beschleunigungen von mehr als 10G realisierbar. Unter Verwendung von Kranwinden kann die Nutzlast im Bereich von wenigen Kilogramm bis zu mehreren Tonnen liegen. Der Arbeitsraum lässt sich durch Winden mit entsprechendem Seilhub kosteneffizient vergrößern. Der am Fraunhofer IPA aufgebaute Seilroboter Ipanema 3 basiert auf Seilwinden mit einer maximalen Seilkraft von 3.000 Newton bei einem Hub von 23 Metern.

Algorithmus zur Senkung der Energieaufnahme

Um die Energieeffizienz von Seilrobotern zu erhöhen, müssen die Seilkräfte am Roboter näher betrachtet werden. Für den sicheren Betrieb des Roboters ist es erforderlich, die Seile durch eine Seilkraftregelung unter Spannung zu halten. Diese Verspannung der Seile erfordert einen beträchtlichen Energieaufwand. Durch den redundanten Aufbau des Roboters – acht Seile steuern sechs Freiheitsgrade der Roboterplattform – können die Seile wechselseitig verspannt werden, ohne externe Kräfte hervorzubringen. Gleichzeitig steigt jedoch der Energieverbrauch. Ziel ist es daher, die Seilkräfte so einzustellen, dass einerseits die Leistung des Gesamtsystems hinsichtlich Dynamik, Stabilität, Sicherheit und Nutzlast erhalten bleibt. Andererseits sollten die eingesetzten Seilkräfte hinsichtlich des Energieverbrauchs nur so groß sein wie nötig. Das neu entwickelte Verfahren zur Sollwertvorgabe von Seilkräften erhält die Leistungsdaten des Systems, während der Energieverbrauch minimiert wird. Gegenüber bisherigen Implementierungen lässt sich dadurch die Leistungsaufnahme auf einer Referenztrajektorie um bis zu 20 Prozent senken. Ein weiterer Vorteil: Die niedrigeren Kräfte schonen die Seile und Mechanik.



Schematischer Aufbau eines Seilroboters: Die acht Winden am Rahmen sind über Seile mit der beweglichen Plattform verbunden. Durch die geringe bewegte Masse ergibt sich bereits eine deutliche Energieeinsparung. Bild: Fraunhofer IPA

Vergleich mit Industrierobotern

In einem weiteren Teil der Untersuchung wurde die Energieaufnahme des Seilroboters mit der eines Industrieroboters verglichen. Entwickelt wurde ein Energieverbrauchsmodell zur Vorhersage der Leistungsaufnahme des Seilroboters. Es basiert auf Messungen, bei denen die Leistungsaufnahme am Schaltschrankeingang erfasst und synchronisiert mit Steuerungsdaten protokolliert wird. Bei dem Industrieroboter handelt es sich um einen handelsüblichen Sechs-Achs-Knickarmarroboter Smart NJ 130-2.6 des Herstellers Comau. Zum Vergleich der Energieeffizienz wird eine Referenztrajektorie herangezogen. Es wird eine Last von 35 Kilogramm um einen Meter angehoben, um 2,4 Meter horizontal bewegt und wieder abgelegt. Die maximale Bahngeschwindigkeit beträgt 1,5 Meter pro Sekunde bei einer maximalen Beschleunigung von fünf Metern pro Sekundenquadrat. Deutliche Unterschiede ergeben sich in den Leistungsverläufen, was auf den Aufbau der Kinematiken zurückzuführen ist: Während bei der seriellen Kinematik die ersten drei Gelenkachsen und -antriebe für die makroskopische Bewegung sorgen, müssen beim parallelen Seilroboter grundsätzlich alle Antriebe makroskopische Bewegungen durchführen. Die Leistungsaufnahmen über die gesamte Trajektorie betragen 4,76 Wattstunden für den Industrieroboter und 4,58 Wattstunden für den Seilroboter. Demnach ist der Seilroboter auf dieser Trajektorie energieeffizienter. Ein deutlicher Vorteil des Seilroboters ergibt sich bei der Spitzenleistung von maximal sechs Kilowatt gegenüber 15 Kilowatt beim Industrieroboter.

Applikationen in der Intralogistik

Eine Art Seilroboter wird bereits seit Jahrzehnten erfolgreich in Stadien eingesetzt: Für Sportübertragungen wird bei der Skycam eine Fernsehkamera mithilfe von vier Seilen über dem Spielfeld geführt. Darüber hinaus ergeben sich für Seilroboter zahlreiche weitere Anwendungsfelder, etwa in der Intralogistik:

Der Seilroboter Ipanema 3 wurde im Demonstrationsszenario der mobilen Fabrik bereits eingesetzt. Der Aufbau und die Inbetriebnahme erfolgten innerhalb von zwölf Tagen. In Kooperation mit einem fahrerlosen Transportsystem wurden dabei Kleinladungsträger gehandhabt.