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Bionischer Assistenzroboter für teil-autonome Prüf-, Inspektions- und Handlingsaufgaben

Bei vielen kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) besteht ein hoher Bedarf zur Verbesserung der Wettbewerbssituation durch Erhöhung der Produktions- und Kosteneffizienz mit Hilfe von Automatisierungslösungen mit Robotern als Handhabungsautomaten. Die bei KMU im Gegensatz zur Großindustrie häufig wechselnden Produktionsbedingungen erfordern für den Einsatz im direkten Umfeld des Menschen hohe Kollisionssicherheit, intuitive Bedien- und Programmiereigenschaften sowie die Möglichkeit des flexiblen Wechsels von Einsatzort und -umgebung bei moderaten Kosten für Installation und Betrieb. Marktübliche Roboter sind fast immer noch zu unflexibel, zu groß oder zu teuer für diese Anwendungen.

 

Exemplarische Anwendungen des BioRob-Arms

[Quelle: TETRA Gesellschaft für Sensorik, Robotik und Automation mbH]

 

Nachgiebigkeit und Elastizität sind wesentliche Konstruktionsmerkmale biologischer Arme, die trotz leichtgewichtigem Design mehr als ihr Eigengewicht schnell und genau transportieren können. Bei konventionellen Robotersystemen wird seit Jahrzehnten versucht, mechanische Elastizität soweit möglich konstruktiv zu eliminieren, da dies positionsgenaue Steuerung und Regelung erheblich erschwert. Die in den letzten Jahren entwickelten High-Tech-Roboterarme simulieren Nachgiebigkeit und Elastizität durch Anwendung von Kraft-Momenten-Sensorik und Regelung, die trotz bemerkenswerter Eigenschaften einerseits zu hohen Kosten führen und andererseits eine grundsätzliche, technisch bedingte Einschränkung der Reaktionsgeschwindigkeit auf unvorhergesehene Kollisionen besitzen.

Ziel des Projekts BioRobAssist ist die Entwicklung eines neuartigen, mobilen Roboterassistenzsystems mit hohen passiven Sicherheitseigenschaften für den Einsatz als Prüf-, Inspektions- und Handlingsassistent unter häufig wechselnden Produktionsbedingungen bei KMU. Die entscheidende Kernkomponente des Projekts ist der neuartige, leichtgewichtige und nachgiebige, biologisch inspirierte „BioRob“-Roboterarm, dessen zielgerichtete Weiterentwicklung und funktionale Erweiterung um teil-autonome Seh-, Greif- und Mobilitätseigenschaften sowie Ansätze für eine intuitive, tastaturfreie Bedienung im Focus stehen. Der bionische Roboterarm zeichnet sich durch besonders hohe Sicherheitseigenschaften bei der Mensch-Roboter-Interaktion und geringen Energieverbrauch aus, so dass eine hohe Performanz und Akzeptanz des Roboterassistenzsystems erwartet werden kann.

Bionischer Ansatz

Der BioRob-Arm gründet sich auf ein im Jahre 1997 von Prof. Dr. B. Möhl (Saarbrücken) patentierten neuen Typus von Roboterarmen mit antagonistischem, serienelastischem Antriebskonzept inspiriert vom elastischen Muskel-Sehnen-Apparat. Dieser markiert einen Paradigmenwechsel in der Robotik von starren zu elastischen Systemen. Er zeichnet sich durch ein hervorragendes Verhältnis von Traglast zu Eigenwicht bei einer am menschlichen Arm orientierten Reichweite, hoher Sicherheit bei Kollisionen und energiesparender Steuerung aus. Um am menschlichen Arm orientierte Bewegungsgeschwindigkeit und -genauigkeit, Reaktion auf Kollisionen und vielseitige Bewegungstypen realisieren zu können, sind eine Vielzahl neuer Regelungs- und Steuerungskonzepte notwendig.

Umweltentlastender Effekt und Nachhaltigkeit

Erste Untersuchungen deuten bei der benötigten Leistungsaufnahme einen etwa zehnfach reduzierten Energiebedarf gegenüber in der Reichweite vergleichbaren, konventionellen Robotersystemen an.

Anwendungspotenzial und Wirtschaftlichkeit

Im Projekt werden exemplarisch zwei innovative, komplementäre Anwendungsszenarien bei KMU untersucht, für die bisher noch keine befriedigenden Automatisierungslösungen vorliegen: Handling hochwertiger Kleinserienprodukte unter flexiblen Produktionsbedingungen und Inspektionsassistenz zur Fernüberwachung und -anleitung von Produktionsprozessen.

Das vorliegende Projekt schafft die Grundlagen für neue Produkte und Dienstleistungen zur Automatisierung von Abläufen und Prozessen bei kleinen und mittleren Unternehmen, die bisher überhaupt nicht oder nur unter zu hohem Aufwand und zu hohen Kosten automatisiert werden konnten. Gleichzeitig wird das Potential zur Erhöhung der Produktivität und Qualität gesteigert und dadurch die Stärkung der Wettbewerbsposition ermöglicht.