Energieeffiziente Industrieroboter

Energieeffizienz spielte in der Robotik bisher eine eher untergeordnete Rolle, obwohl Roboter immer weitere Anwendungsfelder erobern. Ein Software-Baukasten erlaubt jetzt, die Energieeffizienz von Roboteranwendungen zu messen und zu optimieren, selbst wenn die Roboterzellen noch in Planung sind.

In der Praxis steht der Anwender von Robotertechnologie vor verschiedenen Fragestellungen: Wie kann ich meine geplante Anlage so gestalten, dass sie nicht nur meine Anforderungen hinsichtlich Takt und Ausbringung erfüllt, sondern gleichzeitig auch energieeffizient arbeitet? Wie kann ich eine bestehende Anlage so anpassen, dass der Energieverbrauch gesenkt wird?

Die Klärung beider Fragen beginnt bei den Komponenten der Automatisierungszelle. Um festzustellen, welche Komponenten wie viel Energie verbrauchen und welche Möglichkeiten der Einsparung bestehen, wird sowohl Mess-Hardware benötigt als auch eine leistungsfähige Software, die die angefallenen Daten auswertet.

Mit dem detaillierten Wissen zum Energieverbrauch und dem Verständnis aller Komponenten ist es jedoch nicht getan. Laufende Anlagen können weder so lange modifiziert werden, bis der Energieverbrauch sich im »grünen« Bereich befindet, noch können bei in Planung befindlichen Systemen Parameter-Einstellungen getestet werden. An dieser Stelle kommt das Hilfsmittel der Simulation zur Anwendung. Aus den Erkenntnissen, die im Rahmen der Energieerfassung gewonnen wurden, wird ein Energieverbrauchsmodell der Anlage erstellt. An diesem Modell können offline – also ohne tatsächliche Zelle – eine Vielzahl von Varianten getestet und bewertet werden.

Die Variantenvielfalt ist jedoch selbst bei mäßig großen Zellen so hoch, dass einfaches »Ausprobieren« kaum Erfolge erzielt. Mithilfe eines Optimierungsalgorithmus werden die Parameter der Zelle wie z. B. Fahrgeschwindigkeiten, Interpolationsarten, Greif- und
Ablagepositionen, Gewichtsverteilungen am Roboter oder Positionierung von Maschinen so lange manipuliert, bis sich ein geringer Energieverbrauch einstellt.

Ein Software-Baukasten, der am Fraunhofer IPA in Zusammenarbeit mit dem ISW der Universität Stuttgart im Rahmen des Forschungsprojekts »MoniSimO – Monitoring, Simulation und Optimierung von Roboteranwendungen zur Steigerung der Energieeffizienz« entwickelt wurde, soll jetzt dem Anwender helfen, seinen Roboter energiesparend
einzusetzen.

Die Energieverbräuche werden durch eine dedizierte Mess-Hardware erfasst. Zudem sorgen eigens entwickelte Schnittstellen dafür, dass die Bewegungen des Roboters gleichzeitig zum Energieverbrauch protokolliert werden. Die gewonnen Daten fließen dann in ein Simulationsmodell, das eine präzise Vorhersage des zu erwartenden Energieverbrauchs ermöglicht.

Um den riesigen Suchraum für die anschließende Optimierung verkleinern zu können, haben die Wissenschaftler verschiedene Strategien entwickelt: Eine Kartierung und Diskretisierung des Suchraums ermöglicht die Vorausberechnung vieler erforderlicher Daten und beschleunigt die anschließende Optimierung.

Schließlich werden auf Basis genetischer Algorithmen verschiedene Simulationsparameter so lange variiert, bis eine Parametrierung gefunden wird, in der ein geringerer Energieverbrauch erreicht wird.

Das Thema Energieeffizienz in der Robotik ist damit noch lange nicht abgeschlossen. In weiteren Forschungsprojekten widmet sich das Fraunhofer IPA einem allgemeinen Standard für Energieverbrauchsmodelle für Industrieroboter. In Kooperation mit weiteren Fraunhofer-Instituten und der Industrie wird darüber hinaus eine ganzheitliche etrachtung der Energieeffizienz von Automatisierungszellen angestrebt.

Die dargestellten Ergebnisse beruhen auf dem Projekt MoniSimO, das im Rahmen des Forschungsprogramms »Effiziente Produktion durch IKT« durch die Baden-Württemberg Stiftung GmbH finanziert wurde.