AT-Mitteilung

Leonardo – der vitruvianische Roboter

Die Anatomie unseres großen Delta-Roboters eignet sich besonders gut für die Ingenieursausbildung und bietet ein hohes Maß an Ästhetik

Die Zeichnung des vitruvianischen Menschen [1] von Leonardo da Vinci ist weltberühmt und man darf sich zurecht fragen, warum Professor Engels einen Didaktik-Roboter mit dem Spitznamen Leonardo bezeichnet und im Titel mit dem Attribut vitruvianisch versehen hat. Vielleicht beantwortet dieser kurze Artikel diese Frage und vielleicht stimmen Sie diesen Bezeichnungen sogar zu.

Zu Beginn der Entwicklung eines Systems für die Ingenieursausbildung – also eines Didaktiksystems – sollte die Beantwortung einer zentralen Frage stehen: „Welche Lernziele werden im Rahmen der akademischen Ausbildung verfolgt?“

Das Lehrgebiet Automatisierungstechnik und Systemtechnik unter Leitung von Professor Engels beschäftigt sich unter anderem mit Themen der Industrierobotik. Im Rahmen dieses Tätigkeitsfeldes setzt das Lehrgebiet Studierenden mit ausgeprägtem Interesse an der Robotik und Robotersteuerungen die folgenden Ziele:

  1. Entwicklung und Konstruktion von Komponenten für Industrieroboter,
  2. Projektierung und Programmierung kundenspezifischer Industrieroboter und
  3. Integration von Robotikanwendungen in Anlagenkonzepte unter Berücksichtigung aktueller Anforderungen für die Digitale Fabrik der Zukunft.

Das Didaktiksystem Leonardo ist ein für die Ingenieursausbildung entwickelter Delta-Roboter. Die Systemarchitektur, die Mechanik und umfangreiche Softwarekomponenten [2] wurden von Professor Engels mit Blick auf die genannten Ziele entworfen, entwickelt und erprobt. Die Fertigung der präzisen Werkstücke für die Roboterkinematik musste außerhalb der Hochschule bei einem regionalen Industriepartner erfolgen, aber die Elektrokonstruktion, Montage und Verdrahtung wurden als Eigenleistungen von Studierenden bearbeitet.

Delta-Roboter – auch als Tripode bezeichnet – besitzen Parallelkinematiken und werden aufgrund ihres Leichtbaukonzeptes unter anderem für schnelle Handhabungsaufgaben in der Verpackungs-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie eingesetzt. Im Gegensatz zu Gelenkarmrobotern, die ihre Antriebsmotoren und Getriebe selber bewegen müssen, sind die Motor-Getriebe-Kombinationen des Delta-Roboters ortsfest, so dass sich geringe bewegte Massen ergeben. Geringe bewegte Massen verringern das Risiko von Verletzungen oder mechanischen Schäden erheblich, so dass sich dieser Kinematiktyp besonders für den Lehrbetrieb eignet. Leonardo verfügt über vier Freiheitsgrade und kann somit Positionieren und mit dem Greifer auch Orientieren.

Damit ist geklärt, warum das Didaktikkonzept des Lehrgebietes unter anderem Delta-Roboter einsetzt. Aber ist er denn ein vitruvianischer Roboter?

Vitruvianisch bedeutet verkürzt ausgedrückt „mit idealen oder wohlgeformten Proportionen“. Ein vitruvianischer Roboter wäre somit ein Roboter mit idealen Proportionen. Die Skizze von Leonardo da Vinci zeigt die speziellen Geometrien eines Kreises und eines Quadrats, die von einem Menschen mit unterschiedlichen Arm- und Beinstellungen berührt werden. In der Tat werden Teile der Kinematik eines Delta-Roboters als Oberarm und als Unterarm bezeichnet und die in dieser Kinematik vorherrschenden Grundgeometrien sind das Dreieck (vgl. griechisches [sprich Delta]) und der Kreis. Die sich bei der Bewegung des Greifers am Roboter ergebenden Geometrien sind demzufolge Kreisbahnen und Kugelflächen.

Ein Delta-Roboter mit idealen Proportionen wäre eine Konstruktion, die ein Optimum bezüglich spezieller Eigenschaften haben könnte. Also optimal bzgl. Arbeitsraum, optimal bzgl. bewegter Massen, optimal bzgl. Bewegungsgeschwindigkeit oder Ähnliches. Aber nein, diesbezüglich wurde der Roboter von Prof. Engels nicht optimiert. Vielmehr wurde er hinsichtlich des Einsatzes für die Ingenieursausbildung durchdacht. Das bedeutet, dass von der Schraube bis zum Getriebe jedes einzelne Werkstück und von der Spannungsversorgung bis zum Antriebsparameter die wesentlichen Komponenten der Elektronik und Softwarearchitektur in der direkten Entscheidungshoheit des Lehrgebietes liegen. Bei gekauften Systemen von Roboterherstellern oder von Didaktik Systemanbietern ist dies erfahrungsgemäß nicht der Fall.

Diese Entscheidungsfreiheit ist das Fundament der drei Ausbildungsziele. So werden zukünftige Lehr- und Forschungsprojekte Modifikationen des Roboters zur Aufgabe haben. Beispielsweise können Konstruktionsänderungen durchgeführt werden, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit theoretisch und praktisch optimiert werden soll. Dynamische Robotermodelle, die nach dem Stand der Technik selten in industriellen Motion-Controllern integriert sind, können implementiert werden, da alle CAD-Konstruktionsdaten vorliegen. Und typische kleinere Arbeiten, wie die Neukonstruktion von Greifern, lassen sich ebenfalls in die Lehrkonzepte von Laborpraktika und studentischen Projekten integrieren.

Neben der Modularität hinsichtlich mechanischer Komponenten, wie Getrieben, Armen und Greifern ist die Konstruktion aber auch mit Blick auf die Antriebs- und Steuerungsarchitektur flexibel aufgebaut. So wurde bei der Konstruktion ein Multi-Vendor-Concept verfolgt, das den Einbau von Schrittmotoren oder Servomotoren, mit oder ohne Bremse, unterschiedlichen Gebersystemen als auch diversen Antriebsreglern und Motion-Controllern von unterschiedlichen am Markt präsenten Anbietern ermöglicht.

Er erfüllt kein Optimum in Bezug auf Taktzeiten und er wird auch keine Rekorde bei den Bahngeschwindigkeiten brechen. Aber das war auch nie das Ziel dieser Entwicklung.

Dennoch erfüllt Leonardo unsere durchaus hohen Erwartungen an einen wohlgeformten Roboter. Das stellt er gerade in einem laufenden Masterprojekt unter Beweis und wird dies in Zukunft sicher fortsetzen. Wir haben das Ziel ihn auch auf Messen der Öffentlichkeit zu präsentieren, denn auf die Mobilität der Zelle wurde ebenfalls viel Wert gelegt.

Danksagung:

Die Firma Vock Maschinen- und Stahlbau GmbH aus Friedewald (Hessen) hat das Lehrgebiet bei ansonsten schwer zu beschaffenden Sonderanfertigungen mit kleinen Stückzahlen auch bei diesem Forschungs- und Entwicklungsprojekt sehr gut unterstützt. [3].

Den Studierenden M.Eng. A. Wiegand, B.Eng. D. Herbert und B.Eng. F. Stolz möchten wir für die engagierte Unterstützung beim Aufbau und der Inbetriebnahme der Roboterzelle danken.

Dem Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik sei an dieser Stelle für die Bereitstellung der Finanzmittel herzlich gedankt.

Autor: Prof. Dr.-Ing. Elmar Engels

Quellenverzeichnis:

Bildquellen: © Hochschule Fulda / Robert Gross

Literaturquellen:

[1] Wikipedia | de.wikipedia.org/wiki/Vitruvianischer_Mensch, Zugriff am 12.12.2017

[2] ENGELS, E. | A versatile MATLAB toolbox for Rapid-Robot-Prototyping of custom made Industrial Robots. 11th France-Japan & 9th Europe-Asia Congress on and Research and Education in Mechatronics (REM), 8 pages, Compiègne, France, 15-17 Jun. 2016, IEEE Xplore

[3] Vock Maschinen- und Stahlbau GmbH | vock-gmbh.de. Zugriff am 12.12.2017