Dichtungs-Hightech für Robotik-Anwendungen

Die ISO 8373:2012 definiert einen Roboter als:

"Ein Aktuator, der in mindestens drei voneinander unabhängigen Achsen arbeitet, um Material, Teile, Werkzeuge oder spezielle Geräte zu bewegen, zu positionieren, zu montieren oder zu bearbeiten."

Entwicklung technischer Standards

Obwohl das IEEE keine spezifische, allumfassende Definition für Roboter bereitstellt, arbeitet die IEEE Robotics and Automation Society (RAS) an der Förderung von Forschung, Entwicklung und Anwendung von Robotik- und Automatisierungstechnologien. Die IEEE RAS veröffentlicht Fachzeitschriften, Konferenzpapiere und unterstützt Arbeitsgruppen, die zu verschiedenen Aspekten der Robotik beitragen.

Förderung und Austausch von Wissen

Die International Federation of Robotics (IFR) ist eine Non-Profit Organisation, die den weltweiten Austausch von Wissen und Informationen über Robotik und Automatisierung fördert. Die Definition der IFR basiert auf der ISO-Definition und besagt:

„Ein Roboter ist eine automatisch gesteuerte, programmierbare, mehrzweckige Maschine mit mehreren Achsen, die entweder fest montiert oder mobil für den Einsatz in der Industrieautomation eingesetzt werden kann.“

Fokus industrielle Robotertechnologie

Die Robotic Industries Association (RIA) ist eine nordamerikanische Branchenorganisation, die sich auf industrielle Robotertechnologien konzentriert. Sie fördert Sicherheitsstandards und Innovationen in der Robotikindustrie. Die Definition der RIA bezieht sich auf die ISO 8373:2012 Norm und beschreibt Roboter wie folgt:

„Ein Roboter ist ein Aktuator, der in mindestens drei voneinander unabhängigen Achsen arbeitet, um Materialien, Teile, Werkzeuge oder spezielle Geräte zu bewegen, zu positionieren, zu montieren oder zu bearbeiten.“

Die VDI-Richtlinie 2860 definiert:

„Industrieroboter sind universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei (d. h. ohne mechanischen bzw. menschlichen Eingriff) programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen.“

Klassifikation nach Einsatzflexibilität und Intelligenz:

• Manual Manipulator: Handhabungsgerät ohne Programm, wird direkt vom Bediener geführt
• Fixed Sequence Robot: Handhabungsgerät arbeitet wiederholt nach einem konstanten Bewegungsmuster. Bewegungsmuster ist mit größerem Aufwand zu ändern
• Variable Sequence Robot: Handhabungsgerät arbeitet wiederholt nach einem konstanten Bewegungsmuster. Bewegungsmuster ist schnell, ohne großen Aufwand zu ändern
• Playback Robot: Ein einmal durch den Bediener eingelernter Bewegungsablauf kann beliebig wiederholt werden
• Numerical Control Robot: arbeitet ähnlich wie eine NC-gesteuerte Maschine. Die Information über den Bewegungsablauf wird dem Gerät über Taster, Schalter oder Datenträger zahlenmäßig eingegeben
• Intelligent Robot: verfügen über verschiedene Sensoren und sind damit in der Lage, den Programmablauf selbstständig den Veränderungen des Werkstückes und der Umgebung anzupassen

Der Natur abgeschaut

Wie zum Beispiel der Arm eines Menschen besteht ein Roboter aus starren Verbindungselementen, den sogenannten Armgliedern, und beweglichen Verbindungspunkten, den Gelenken. Der Effektor, also das Werkzeug, ist das letzte Armglied. Für jedes Armglied wird ein Werkzeugmittelpunkt [Tool Center Point (TCP)] definiert, auf den sich die Bewegungsspezifikationen beziehen.

Gelenkig und flexibel

Translatorische und rotatorische Gelenke sind zwei Hauptkategorien von Gelenken in der Robotik, die unterschiedliche Bewegungsarten ermöglichen:

1. Translatorische Gelenke: Diese Gelenke erlauben lineare Bewegungen entlang einer oder mehrerer Achsen. Sie verändern die Position des Roboters oder seiner Komponenten, ohne dabei eine Drehung um eine Achse auszuführen. Beispiele für translatorische Gelenke sind das Schubgelenk (Prismatic Joint), dass eine lineare Bewegung entlang einer Achse ermöglicht und das Zylindergelenk (Cylindrical Joint), dass sich sowohl rotatorisch als auch linear entlang derselben Achse bewegt.

2. Rotatorische Gelenke: Rotatorische Gelenke ermöglichen Drehbewegungen um eine oder mehrere Achsen. Sie ändern die Orientierung der Roboter-Komponenten, ohne deren Position im Raum zu verändern. Ein Beispiel für ein rotatorisches Gelenk ist das Drehgelenk (Revolute Joint), das eine Rotation um eine Achse ermöglicht. Zu den rotatorischen Gelenken zählen auch die Kugelgelenke (Spherical Joint) mit einer kombinierten Rotation um mehrere Achsen, das Zylindergelenk sowie das Schwenkgelenk (Pivot Joint) mit begrenzten Drehbewegungen um eine Achse.

Bewegung im Raum

Freiheitsgrade (auch bekannt als Degrees of Freedom, DOF) sind die unabhängigen Bewegungsmöglichkeiten, die ein mechanisches System besitzt. In Bezug auf Roboter beschreiben sie die Anzahl der unabhängigen Bewegungen oder Veränderungen in Position und Orientierung, die der Roboterarm oder das mobile System ausführen kann.

In der Robotik werden Freiheitsgrade häufig in zwei Kategorien unterteilt: Translations- und Rotationsfreiheitsgrade. Translationsfreiheitsgrade ermöglichen es einem Roboter, sich entlang der drei Raumachsen (X, Y, Z) zu bewegen, während Rotationsfreiheitsgrade die Drehung um diese Achsen ermöglichen (Roll, Pitch, Yaw).

Je mehr Freiheitsgrade ein Roboter hat, desto flexibler und vielseitiger ist er in der Lage, verschiedene Aufgaben auszuführen und komplexe Bewegungen durchzuführen. Die Anzahl der Freiheitsgrade kann jedoch auch die Komplexität des Steuerungssystems erhöhen und die mechanische Stabilität des Roboters beeinträchtigen.

Grundlage für die Steuerung und Programmierung

In der Robotik ist die Kinematik von besonderer Bedeutung, da sie die Grundlage für die Steuerung und Programmierung von Robotern bildet. In diesem Zusammenhang gibt es zwei Hauptarten von kinematischen Analysen:

1. Vorwärtskinematik: Diese Analyse befasst sich mit der Bestimmung der Position und Orientierung des Endeffektors (z. B. Greifer oder Werkzeug) eines Roboters auf Basis der Gelenkstellungen und -winkel. Hier wird die Geometrie des Roboters und die Beziehung zwischen Gelenkparametern und Endeffektorposition genutzt, um die genaue Position im Raum zu ermitteln.
2. Inverse Kinematik: Im Gegensatz zur Vorwärtskinematik löst die Inverse Kinematik das umgekehrte Problem. Hier wird die Position und Orientierung des Endeffektors vorgegeben. Zusätzlich müssen die entsprechenden Gelenkstellungen und -winkel gefunden werden, um diese Position zu erreichen. Dies ist oft ein komplexeres Problem, da es möglicherweise mehrere Lösungen (oder keine Lösung) für eine gegebene Endeffektorposition geben kann.
3. Parallele Kinematik: Parallele Kinematik: Bei paralleler Kinematik sind mehrere Ketten von Gelenken und Segmenten gleichzeitig mit der Basis und dem Endeffektor (z.B. Greifer oder Werkzeug) des Roboters verbunden. Dies ermöglicht Delta- oder Hexapod Robotern eine höhere Steifigkeit, Genauigkeit und Geschwindigkeit, da die Last und die Bewegungsanforderungen gleichmäßig auf die einzelnen Ketten verteilt werden. Allerdings kann die parallele Kinematik auch eine begrenztere Reichweite und eingeschränkte Bewegungsfreiheit mit sich bringen, da die einzelnen Gelenke und Segmente in engerer Beziehung zueinander stehen.
4. Serielle Kinematik: Bei Robotern mit serieller Kinematik, wie Gelenkarmrobotern und Portalrobotern sind die Gelenke und Segmente in einer Kette oder Reihe angeordnet, wobei jedes Gelenk direkt mit dem vorhergehenden und dem nachfolgenden Segment verbunden ist. Diese Anordnung ist in vielen konventionellen Industrierobotern und Roboterarmen üblich. Serielle Kinematik ermöglicht eine größere Reichweite und Flexibilität bei den Bewegungen des Roboters, kann aber auch zu einer geringeren Steifigkeit und Präzision führen, da Fehler und Ungenauigkeiten entlang der kinematischen Kette kumulieren können. Weitere Beispiele für Roboter mit serieller Kinematik sind SCARA-Roboter, Portalroboter, Dual-Arm-Roboter und Palettierroboter.