{"id":56703,"date":"2023-08-03T08:00:00","date_gmt":"2023-08-03T07:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/?p=56703"},"modified":"2023-08-07T14:57:43","modified_gmt":"2023-08-07T13:57:43","slug":"roboterkraft-und-bewegung-%e2%88%92-wie-funktionieren-roboter","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/de\/automatisierung\/roboterkraft-und-bewegung-%e2%88%92-wie-funktionieren-roboter\/","title":{"rendered":"Roboterkraft und -bewegung \u2212 Wie funktionieren Roboter?"},"content":{"rendered":"\n

Die Umsetzung von Bewegungen in der modernen Robotik ist abh\u00e4ngig von Antrieben, Steuerungen und Bet\u00e4tigungseinrichtungen. Daher sollte bei der Systemauslegung m\u00f6glichst fr\u00fch \u00fcber die optimale Kombination aus Kraftquelle, Stellgliedern, Motoren und Getrieben entschieden werden.<\/p>\n\n\n\n

Massgebliche Faktoren f\u00fcr diese Wahl sind die Ausf\u00fchrung und der Einsatzzweck des Roboters. Industrielle Roboter sind als kartesischer, SCARA-, zylindrischer, Parallelkinematik-, Polar-, Portal- oder Gelenkarmroboter ausgef\u00fchrt. Sie werden unter anderem f\u00fcr Montage, Schweissarbeiten, Maschinenbeschickung, Verpackung, Lackierarbeiten, Best\u00fcckung, Kontrolle und Pr\u00fcfung eingesetzt.
Bei der wichtigen Wahl der Energiequelle sind Zuverl\u00e4ssigkeit, Gr\u00f6sse, Gewicht und Nutzungsdauer entscheidend. Um die Bewegungsqualit\u00e4t zu optimieren, m\u00fcssen die Erstausr\u00fcster auch die am besten geeignete Kombination aus Motoren und Stellgliedern sowie deren optimale Steuerung w\u00e4hlen.<\/p>\n\n\n\n

Batterien<\/h2>\n\n\n\n

Batterien sind die am h\u00e4ufigsten gew\u00e4hlte Stromquelle. Welche Batterie die beste ist, h\u00e4ngt von Kriterien wie Sicherheit, Nutzungsdauer, Gewicht und Kosten ab.<\/p>\n\n\n\n

Bei Industrierobotern werden sowohl nicht wiederaufladbare Batterien als auch Akkumulatoren eingesetzt. Nicht wiederaufladbare Batterien haben nat\u00fcrlich den Nachteil, dass sie ersetzt werden m\u00fcssen, sind aufgrund ihrer typisch h\u00f6heren Volumenleistungsdichte aber gut f\u00fcr bestimmte Anwendungen mit geringer Stromaufnahme geeignet. Trotzdem sind Akkumulatoren oft vorzuziehen.<\/p>\n\n\n\n

Traditionell setzen Robotersysteme auf Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd) und Bleiakkumulatoren, aber auch Gel-Akkumulatoren, die bis zu 40 Wh\/kg liefern k\u00f6nnen, sind in der Robotik zu finden. Weitere Akkumulatortypen sind Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH), Silber-Zink-Akkus und Lithium-Ionen-Akkus.<\/p>\n\n\n\n

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Mittlerweile hat sich unter den Roboterentwicklern die Lithiumtechnik durchgesetzt. Ihre Leistung, Nutzungsdauer und Skalierbarkeit (Lithium-Batterieb\u00e4nke k\u00f6nnen f\u00fcr die meisten Automationsanwendungen skaliert werden) machen den Lithium-Ionen-Akku f\u00fcr den Einsatz bei Industrierobotern sehr attraktiv.<\/a> Einer der grossen Vorteile eines Lithium-Ionen-Akkus ist sein geringes Gewicht. Dar\u00fcber hinaus verh\u00e4lt sich Lithium als Element h\u00f6chst reaktionsfreudig, es hat also eine hohe Energiespeicherkapazit\u00e4t und kann pro Kilogramm Batteriemasse rund 150 Wattstunden speichern. Damit gewinnt es den Vergleich mit einem NiMH-Batteriepaket, das nur 60 bis 100 Wattstunden speichert.<\/p>\n\n\n\n

In diesem Zusammenhang sollten auch Schweissroboter erw\u00e4hnt werden, die im Automobilbau und \u00e4hnlichen Sektoren h\u00e4ufig zum Einsatz kommen. Die Stromquelle f\u00fcr das Schweissger\u00e4t kann gleichzeitig auch die Elektronik und Bewegungssteuerung des Roboters versorgen. F\u00fcr solche Anwendungen haben sich Stromquellen mit Wechselrichter als sinnvoll erwiesen. Viele moderne Wechselrichter passen die Eingangsleistung automatisch an und halten die Ausgangsleistung konstant. Durch integrierte \u00dcberlastschutze ist gew\u00e4hrleistet, dass die Arbeitsqualit\u00e4t durch den gleichzeitigen Betrieb anderer Hochstromger\u00e4te nicht beeintr\u00e4chtigt wird.<\/p>\n\n\n\n

Nat\u00fcrlich spielen auch die Abmessungen der Batterie eine Rolle: Die Form gibt vor, welche Batterietypen bei der Planung in Betracht gezogen werden. Welche Bedeutung das Gewicht hat, ist oft abh\u00e4ngig davon, ob der Roboter mobil oder station\u00e4r eingesetzt werden soll.<\/p>\n\n\n\n

Da die Betriebsdauer des Roboters vor dem Wiederaufladen einen Wettbewerbsvorteil darstellen kann, gelten Haltbarkeit und Speicherkapazit\u00e4t als Schl\u00fcsselindikatoren f\u00fcr die Nutzungsdauer der Batterie.<\/p>\n\n\n\n

Photovoltaikzellen (PV)<\/h2>\n\n\n\n

Die Solartechnik hat sich in vielen Industriesektoren als Energielieferant durchsetzen k\u00f6nnen, wird sich in der Industrierobotik jedoch noch beweisen m\u00fcssen. Einige BEAM-Roboter (Biologie, Elektronik, \u00c4sthetik und Mechanik) wie automatisierte Rasenm\u00e4her oder Staubsauger machen sich PV-Technik zunutze<\/a>. Im Normalfall besteht das PV-System aus einer Solarzelle, die \u00fcber eine entsprechende Schaltung einen Kondensator mit einer festgelegten Spannung l\u00e4dt, sodass die Motoren angetrieben werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Auf Industrieroboter ist diese Technologie kommerziell noch nicht ausgeweitet worden. Dieser mangelnde Fortschritt hat mehrere Gr\u00fcnde, ist aber in erster Linie auf die eher geringe Leistungsdichte (Wp\/m\u00b2) von Solarzellen zur\u00fcckzuf\u00fchren, die f\u00fcr die meisten modernen Industrieroboter nicht ausreicht.<\/p>\n\n\n\n

Brennstoffzellen<\/h2>\n\n\n\n

Wahrscheinlicher ist es da, dass konventionelle Batterien bei Industrierobotern in Zukunft durch Brennstoffzellen ersetzt werden, die zur Energieerzeugung Wasserstoff, Methanol oder einfachen Alkohol mit Sauerstoff kombiniert. Derzeit sind die Kosten noch zu hoch, aber das k\u00f6nnte sich bald \u00e4ndern, da sich Brennstoffzellen auf den Verbraucherm\u00e4rkten verbreiten.<\/p>\n\n\n\n

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Heute sind Lithium-Ionen-Akkus die erste Wahl, aber die Fortschritte in der Brennstoffzellentechnik k\u00f6nnten bald eine andere Richtung vorgeben.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Brennstoffzellen erzeugen Energie aus einer Kohlenwasserstoffquelle und erreichen dabei einen Wirkungsgrad von bis zu 75 Prozent. Der typische Aufbau besteht aus zwei Elektroden, die durch einen leitf\u00e4higen Elektrolyt voneinander getrennt sind. Der Strom wird nach einem \u00e4hnlichen Prinzip wie bei der Kraftstoffverbrennung erzeugt, da die Protonen die semipermeable Membran durchdringen k\u00f6nnen, w\u00e4hrend die Elektronen \u00fcber die elektrische Schaltung von der Anode zur Kathode str\u00f6men m\u00fcssen. Durch die Nutzung der Abw\u00e4rme l\u00e4sst sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sogar noch steigern.<\/p>\n\n\n\n

Aktoren<\/h2>\n\n\n\n

Nachdem die richtige Stromquelle gefunden wurde, gilt das Augenmerk den ben\u00f6tigten Stellgliedern und Motoren f\u00fcr die Umsetzung der translatorischen und rotatorischen Bewegungen.<\/p>\n\n\n\n

Schrittmotoren<\/h3>\n\n\n\n

Schrittmotoren<\/a> kommen meist dann zum Einsatz, wenn die Kosten ausschlaggebend sind, wie etwa bei normalen Best\u00fcckungsrobotern. Die wesentlichen Vorteile liegen in der hochpr\u00e4zisen Positionssteuerung, weshalb Schrittmotoren oft f\u00fcr 3D-Drucker<\/a> oder CNC-Fr\u00e4sen verwendet werden. Ein Schrittmotor ist n\u00e4mlich auf hohe Haltemomente ausgelegt, sodass er die jeweils n\u00e4chste Position schrittweise anfahren kann. Ihre Vorteile spielen sie in Anwendungen aus, bei denen Drehwinkel, Drehzahl, Position und Gleichlauf pr\u00e4zise gesteuert werden m\u00fcssen. Da ein Schrittmotor auch bei niedrigen Drehzahlen sein maximales Drehmoment erreicht, eignet er sich sehr gut f\u00fcr Pr\u00e4zisionsanwendungen mit geringem Drehzahlbedarf.<\/p>\n\n\n\n

W\u00e4hrend Schrittmotoren bei \u00e4lteren Robotern weit verbreitet waren, haben sie zwischenzeitlich an Beliebtheit eingeb\u00fcsst. Das liegt unter anderem an ihrem Wirkungsgrad, dem notwendigen Einsatz von Winkelgebern oder Positionsschaltern zur Festlegung von Referenzpositionen und dem Risiko von Schrittauslassungen bei \u00dcberlastung. Genau so wahrscheinlich jedoch ist das Aufkommen fortschrittlicher b\u00fcrstenloser Wechselstrom-Servomotoren.<\/p>\n\n\n\n

Servomotoren<\/h3>\n\n\n\n

Viele \u00e4ltere Roboter arbeiten mit Gleichstrom-Servomotoren, da sie bei akzeptabler Drehzahl und Positionssteuerung eine gute Ausgangsleistung erreichen. Bei den meisten neuen Industrierobotern hingegen kommen b\u00fcrstenlose Wechselstrom-Servomotoren zum Einsatz. Daf\u00fcr sprechen die h\u00f6here Ausgangsleistung und ein praktisch ger\u00e4uschfreier Betrieb, aber auch der Verzicht auf B\u00fcrsten verleiht den drehmomentstarken Maschinen ein hohes Mass an Zuverl\u00e4ssigkeit, sodass jegliche Wartung entf\u00e4llt.<\/p>\n\n\n\n

Dar\u00fcber hinaus haben Servos<\/a> den bauartbedingten Vorteil, dass sie eine hohe Winkelgenauigkeit erreichen und vor dem n\u00e4chsten Signal nur so weit drehen, wie angefordert wurde.<\/p>\n\n\n\n

Der Unterschied zwischen digitalen und analogen Servos liegt im Signal, dessen Verarbeitung zwischen Empf\u00e4nger und Servo und der servoseitigen Umsetzung der Daten zum Antreiben des Motors. Analoge Servos steuern die Motordrehzahl, indem sie Ein-Aus-Spannungssignale an den Motor senden, w\u00e4hrend digitale Servos einen kleinen Mikroprozessor haben, der die Signale des Empf\u00e4ngers auswertet und in hochfrequente Spannungsimpulse zum Motor umwandelt.<\/p>\n\n\n\n

Anders als analoge Servos, die 50 Impulse pro Sekunde aussenden, arbeiten digitale Servos mit \u00fcber 300 Impulsen pro Sekunde \u2013 ein klarer Vorteil. Diese Impulse sind zwar k\u00fcrzer, aber durch die Vielzahl an Impulsen beschleunigt der Motor schneller und h\u00e4lt ein konstantes Drehmoment. Bei digitalen Servos kann die Versorgungsspannung f\u00fcr den Motor angepasst werden, um Leistung und Pr\u00e4zision zu optimieren.<\/p>\n\n\n\n

Wirkungsgrad, Gr\u00f6sse, Pr\u00e4zision, Zuverl\u00e4ssigkeit, Drehzahl und Drehmoment<\/h3>\n\n\n\n

Die Wahl des optimalen Motors z\u00e4hlt zu den wichtigsten Aspekten eines Robotikprojekts und richtet sich nach Drehmoment, Drehzahl, Pr\u00e4zision, Spannung, Kosten und Formfaktor.<\/p>\n\n\n\n

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Bei Robotern wird das Motordrehmoment normalerweise auf ein Rad oder ein Stellglied \u00fcbertragen, das seinerseits eine rotatorische oder translatorische Bewegung ausf\u00fchrt. Um das ben\u00f6tigte Drehmoment zu ermitteln zu k\u00f6nnen, muss man die angestrebte maximale Traglast sowie die Haft-, Gleit- und Rollreibung des Systems kennen.<\/p>\n\n\n\n

Bei Robotern auf R\u00e4dern muss die Raddrehzahl spezifiziert werden. Je h\u00f6her die Geschwindigkeit, desto mehr leidet meist die Genauigkeit. Der Servomotor ist deshalb die am weitesten verbreitete Wahl, weil er die f\u00fcr einen Roboterarm<\/a> n\u00f6tige Genauigkeit mit seiner integrierten Positionsregelung erreicht und die Positionen dank seiner langen \u00dcbersetzung sehr pr\u00e4zise anfahren kann.<\/p>\n\n\n\n

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Betriebsspannung. Bevor festgelegt wird, welche Batteriepakete zum Einsatz kommen, sollte zun\u00e4chst die Nennspannung bei laufendem Motor ermittelt werden. Meist gilt: je h\u00f6her die Spannung, desto h\u00f6her die Motordrehzahl. Anhand der Spannungskonstante auf dem Datenblatt zum Motor l\u00e4sst sich die Drehzahl pro Volt berechnen.<\/p>\n\n\n\n

Hydraulische und pneumatische Alternativen<\/h3>\n\n\n\n

Hydraulische L\u00f6sungen waren bei fr\u00fcheren Robotern sehr verbreitet, da sie steifer, besser steuerbar und leistungsst\u00e4rker waren als die damaligen Elektroantriebe. Ausserdem l\u00e4sst sich mit Hydraulik ein grosses Untersetzungsverh\u00e4ltnis realisieren.<\/p>\n\n\n\n

Der entscheidende Nachteil hydraulischer Anlagen ist die vergleichsweise langsame Arbeitsgeschwindigkeit, und auch die hohen Dr\u00fccke riefen immer wieder Leckstellen hervor.<\/p>\n\n\n\n

Zum Thema Druckluft: Viele einfache Best\u00fcckungssysteme arbeiten mit pneumatischer Unterst\u00fctzung. Druckluftanlagen sind zwar kosteng\u00fcnstig, lassen sich aber schlecht steuern. Weil Luft komprimierbar ist, entsteht eine Totzeitdynamik, die das Steuern zus\u00e4tzlich erschwert.<\/p>\n\n\n\n

Bei einigen Industrierobotern wird der Endeffektor mit Druckluft<\/a> betrieben, denn Druckluftzylinder k\u00f6nnen hohe Kr\u00e4fte \u00fcbertragen und eignen sich gut f\u00fcr gr\u00f6ssere Greifer. Es ist zwar un\u00fcblich, aber einige Roboter bewegen ihren K\u00f6rper mithilfe von Druckluftzylindern, die aus einer mitgef\u00fchrten Druckluftflasche gespeist werden. Der Grund f\u00fcr die verhaltene Akzeptanz der Druckluft ist die Tatsache, dass sich mit ihr nur relative kleine, einfache reziproke Bewegungen ausf\u00fchren lassen.<\/p>\n\n\n\n

Die richtige Motorsteuerung<\/h2>\n\n\n\n

Die Entscheidung zwischen einem Servomotor und einem Schrittmotor<\/a> ist immer ein Kompromiss zwischen Komplexit\u00e4t und Steuerungssicherheit. Ein Schrittmotor ist einfacher aufgebaut, da er im Gegensatz zum Servomotor keinen Winkelgeber ben\u00f6tigt. Dadurch ist der Schrittmotor einfacher zu steuern \u2013 aber nur, wenn der Roboter geringe Leistungsanforderungen stellt. Wer den Schrittmotor an seine Grenzen bringen will, findet schnell heraus, dass er sich mit wachsendem Leistungsabruf immer schlechter steuern l\u00e4sst.<\/p>\n\n\n

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Servomotoren arbeiten bei der Positionierung mit einem geschlossenen Regelkreis, w\u00e4hrend Schrittmotoren in einem bestimmten Drehwinkel positioniert werden.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Ein Vorteil des Schrittmotors ist seine Eignung f\u00fcr offene Regelkreise. Bei einem offenen Regelkreis ist keine Positionsr\u00fcckf\u00fchrung vonn\u00f6ten, sodass auf kostspielige Winkelgeber und Koordinatenwandler verzichtet werden kann. Die Position wird nur durch Z\u00e4hlen der eingegebenen Schrittimpulse ermittelt.<\/p>\n\n\n\n

Servomotoren kommen in geschlossenen Regelkreisen zum Einsatz. Deren digitale Steuerung sendet Geschwindigkeitsbefehle an einen Treiberverst\u00e4rker, der wiederum den Servomotor versorgt. Eine R\u00fcckf\u00fchrungseinrichtung in Form eines Winkelgebers oder Koordinatenwandlers meldet Position und Drehzahl des Servomotors. Um noch mehr ins Detail zu gehen: Die Einrichtung wird von einem R\u00fcckf\u00fchrsignal gesteuert, das sich aus dem Vergleich zwischen Ausgangssignal und Referenzeingangssignal ergibt.<\/p>\n\n\n\n

Dank des geschlossenen Regelkreises kann der Servomotor ein konkretes Bewegungsprofil ausf\u00fchren, mit dem die Steuerung programmiert wird. Servomotoren werden \u00fcber Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert, wobei sich der Drehwinkel aus der Dauer des angelegten Impulses errechnet.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Die Umsetzung von Bewegungen in der modernen Robotik ist abh\u00e4ngig von Antrieben, Steuerungen und Bet\u00e4tigungseinrichtungen. 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