Der Leichtbauroboter SARA zeigt neue Funktionalitäten in der kraftgeregelten Robotik für die reibungslose Zusammenarbeit von Mensch und Roboter. Anwendungen im Rahmen der Industrie 4.0 werden so effizienter, kostengünstiger und sicherer. Auf der Automatica 2018 wurde SARA erstmals der Öffentlichkeit präsentiert.
Technische Daten
Größe:
1250 mm Länge bei ausgestrecktem Roboterarm
Gewicht:
22,6 kg
Freiheitsgrade:
7 (roll-pitch-roll-pitch-roll-pitch-roll)
Nominale Nutzlast:
12 kg
Kraftauflösung:
besser als 0,1 N
Achsgeschwindigkeit:
bis zu 400 °/s
Sensorik:
• Drehmomentsensoren in allen Gelenken • Kraft-Momenten-Sensor in der Basis und im Handgelenk • 2 IMUs
Kommunikation:
• Links and Nodes Middleware • Ethernet via PCIe
Arbeitsraum:
Sphärische Hülle mit r=297 mm, R=1024 mm (Handgelenk)
Besonderheiten:
• Rekuperation über Kondensatorbank • Sensor-Port (PCIe) für optische Sensoren • Limitierung der Kollisionsdrehmomente • Möglichkeit des Kraft-„Teaching“ im Kontakt
Systembeschreibung
Die neueste Generation Leichtbauroboter des DLR trägt den Projektnamen SARA – Safe Autonomous Robotic Assistant. Diese Robotergeneration vereint moderne Elektronik und Mechanik mit innovativen Regelungsverfahren. Ziel ist die funktionale Erweiterung des Ausgabegeräts Roboter zum vernetzten Sensor-Aktor-System in einer hochgradig von digitalen Überwachungs- und Steuerungsprozessen geprägten Fabrik der Zukunft.
Mehr Effizienz durch SARA
SARA ist ein drehmomentgeregelter Roboterarm mit sieben Achsen und 12kg Traglast. Seine gute Faltbarkeit und kurze Handachse ermöglichen eine hervorragende Nutzung des großen Arbeitsraums und eine gute Erreichbarkeit von verschiedenen Seiten, selbst für große Werkstücke. Die feinfühlige Drehmomentsensorik und die auf Dynamik optimierten Antriebe eröffnen ein breites Einsatzspektrum und erlauben zügige Bearbeitungen.
Kraftsensor-Kinematik: Kraft, Kontrolle und Gefühl
Eine besondere wissenschaftliche Neuerung ist die redundante Kraftsensor-Kinematik. Diese erlaubt einerseits eine hochauflösende Kraft- und Drehmomentmessung am Roboterflansch, unabhängig von der Pose des Roboters. Andererseits ermöglicht sie die Messung von Kontaktkräften während des handgeführten Anlernbetriebs.
Programmierung durch Vormachen²
Während mit bisherigen Robotern in handgeführten Fahrten nur Positionen angelernt werden können, ist es möglich, mit SARA Positions- und Krafttrajektorien simultan aufzuzeichnen. Dies beschleunigt die Programmierung durch Vormachen um ein Vielfaches und erlaubt eine wesentlich intuitivere Programmierung als durch nachträgliche, numerische Eingabe von Kraftrichtungen und Größen. Der Bediener zeigt dem Roboter also nicht nur, was er tun soll, sondern auch, wie er eine Aufgabe zu verrichten hat.
Eine weitere Neuerung ist die hochabgetastete Überwachung der Kraftverläufe bei Fügevorgängen durch die Kombination von Sensorkinematik und hoher Bandbreite. Dadurch können Fügefehler zukünftig schon während des Fügevorgangs erkannt werden. Experimente haben gezeigt, dass durch die neue Sensorkinematik Kontakte und Kollisionen am Endeffektor wesentlich früher, richtungsunabhängig und trennschärfer erkannt werden können. Dies erlaubt nicht nur dynamischere Fügevorgänge, sondern erhöht auch die Sicherheit im kollaborativen Betrieb.
Die Erhöhung des Regeltaktes mit minimaler Latenz sowie die auf Dynamik optimierte Auslegung der Antriebe und Strukturen hat die Kraftregelung zu höchsten Leistungen geführt. So kann die kartesische Steifigkeit in beliebigen Raumrichtungen von 0 bis 20 000 N/m geregelt werden, was der Steifigkeit der klassischen Positionsregelung nahekommt.
Dies macht sich bei der Beherrschung instabiler Kontakte bemerkbar, wie bei Arbeiten mit einem konvexen Werkzeug entlang einer konvexen Kante.
Highlights der SARA-Technik
Eine endlos drehbare siebte Achse mit Energie- und Datenübertragung sowie ein integrierter Schnellwechselmechanismus mit Werkzeugerkennung, Energie- und Datenanschluss erlauben die selbständige Rekonfiguration für komplexe Aufgabenfolgen.
Eine Nutzereingabe mit Tasten und Display am Roboter soll die Programmierung vom PC aus zukünftig weitgehend durch intuitive Eingaben vor Ort ersetzen.
Versteckt in der Struktur des Roboters arbeiten zwei Vierfach-Gelenkreglerblöcke mit 8kHz Systemtakt. Die Gelenkregler sind direkt per PCI Express mit dem Steuerungsrechner verbunden, der im gleichen Takt die Gesamtarm Regelung betreibt. Diese Architektur erlaubt die Echtzeit-Überwachung aller inneren Größen sowie jederzeit die Einbindung weiterer Komponenten über mPCIe-Steckplätze.
Eine integrierte Kondensatorbank ermöglicht die Weiterverwendung der beim Bremsen rückgespeisten Energie (KERS), und ein mechanisches Überlastschutz-System bewahrt den Roboter vor Schäden bei ungewollten harten Kollisionen.
Iskandar et al., "Collision Detection, Identification, and Localization on the DLR SARA Robot with Sensing Redundancy", in Proc. of the 2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Xi' an, China, May/June 2021.
Iskandar et al., "Joint-Level Control of the DLR Lightweight Robot SARA", in Proc. of the 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Las Vegas, USA, pp. 8903-8910, October 2020.
