Kreativer Baukasten für nachgiebige Robotersysteme

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Sicherheit durch Nachgiebigkeit

Bei der engen Zusammenarbeit von Menschen und Robotern gibt es verschiedene Gefahrenquellen, von denen die Kollision zwischen Mensch und Maschine eines der größten Verletzungspotenziale darstellt. Besonders durch die Zunahme an Systemen und Anwendungen, welche die Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) ermöglichen, wird die Sicherheitsfrage immer wichtiger.

Das Sicherheitsrisiko bei konventionellen Industrierobotern ist bedingt durch ihre hohen Spitzenkräfte, die während einer Kollision aufkommen können. Deshalb ist es wichtig, dass die Kräfte eines Robotersystems bei einem Kontakt kontrollier- und begrenzbar sind.

In konventionellen steifen Robotern sind die Antriebe fest mit den Gelenken verbunden. In diesen sind Drehmomentsensoren verbaut, um die Kräfte zu regulieren. Allerdings haben Kollisionen eine Dynamik oberhalb der Bandbreite der Drehmomentsteuerung. Die Kontaktkräfte hängen von den mechanischen Eigenschaften des Roboters und speziell von dem auftretenden Trägheitsmoment ab.

Spezielle Aktorik macht die Myorobotics-Systeme sicher

Dieses wiederum wird von der Masse der Roboterstruktur beeinflusst: Je schwerer das System, umso höher seine Trägheit, sodass bei eventuellen Kollisionen große Kräfte wirken. Dies ist ein Grund, warum Leichtbauroboter für die MRK prinzipiell besser geeignet sind.

Nicht nur die Leichtbauweise, sondern auch die spezielle Aktorik macht die Myorobotics-Systeme sicher. Leichtbauroboter basieren auf Motoren mit Getriebeuntersetzung, um ihr Antriebsdrehmoment zu verstärken. Deshalb kann es sein, dass ihre reflektierte Trägheit durch die Antriebe noch immer relativ stark oder sogar stärker ist als die, die durch die Masse der Gelenke entsteht. Dies liegt daran, dass die reflektierte Trägheit quadratisch zum Übersetzungsverhältnis zunimmt.

Für die Sicherheit entscheidend sind deshalb die neuartigen Myorobotics-Aktoren: Sie sind intrinsisch nachgiebig, da sie aus einer Reihenschaltung des justierbaren elastischen Elements und des Antriebs bestehen. Dadurch, dass die Bewegungen des Gelenks und des Motors bei einer Kollision entkoppelt sind, ist das auftretende Trägheitsmoment deutlich reduziert. So kann die maximale Kraft des Robotersystems begrenzt und, bei Berücksichtigung einer druckmindernden Formgebung oder Verkleidung des Armes, das Verletzungsrisiko bedeutend gesenkt werden.

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