Der LBR III ist ein flexibel einsetzbarer Leichtbauroboter, welcher dank seiner Sensorik direkte Mensch-Roboter Interaktion erlaubt. Seine Größe, Leistungs- und Manipulationsfähigkeit entsprechen in etwa dem menschlichen Arm. Der Roboter kann über eine Standardschnittstelle, welche an die internen Versorgungsleitungen angeschlossen ist, mit nahezu beliebigen Greifern oder Werkzeugen ausgestattet werden.
Kinematik Der LBR III besitzt sieben Drehgelenke, um gute Manipulationsfähigkeiten in veränderlichen Arbeitsräumen mit nicht vorhersagbaren Hindernissen sicher zu stellen. Da der Arm zusammen mit der DLR Hand II für Forschungen über menschliche Haptik eingesetzt werden sollte, ähnelt seine Kinematik der des menschlichen Arms. In diesem Zusammenhang entspricht die erste Roll-Knick-Roll Kombination der Schulter und dem Oberarm, gefolgt von einer Knick-Roll Kombination für Ellenbogen und Unterarm und einer Knick-Knick Kombination mit schneidenden Achsen als Handgelenk. Für Anwendungen, in denen hauptsächlich Werkzeuge oder Greifer eingesetzt werden, erlaubt das mechanische Design eine Alternativkonfiguration mit einem Knick-Roll Handgelenk.
LBR III Robotergelenke Der Roboter ist aus intelligenten Gelenkeinheiten mit integrierter Elektronik aufgebaut, welche untereinander über Versorgungsleitungen, einen Notfallstromkreis und einen optischen SERCOS-Bus zum Datentransfer verbunden sind. Die mechanische Roboterstruktur besteht aus unterschiedlichen CFK-Strukturen.
Jedes Gelenk ist mit einem motorseitigen Positionssensor, einem abtriebsseitigen Positionssensor sowie einem Drehmomentensensor ausgestattet. Dadurch kann der Roboter positions-, geschwindigkeits- und momentengeregelt betrieben werden. In diesem Zusammenhang spielt insbesondere der Drehmomentensensor eine entscheidende Rolle, welcher für folgende Funktionen benötigt wird:
Gelenkeinheit Die Gelenkeinheit besteht aus
Motoren Zum Antrieb des LBR III werden bürstenlose Gleichstrommotoren verwendet, welche speziell für diese Aufgabe am DLR entwickelt wurden. Alle Parameter dieser Motoren wurden für den Betrieb in einem Roboter und ein geringes Gewicht optimiert. Da das erforderliche Drehmoment entlang des Armes geringer wird, werden drei unterschiedliche Motorgrößen eingesetzt (85, 70 and 50 mm).
Getriebe Im LBR III werden auf Grund ihrer hohen Übersetzung und ihres geringen Gewichts verschiedene HarmonicDrive Getriebe verwendet. Deren Getriebeübersetzung beträgt 1:160 (1:100 bei Gelenk 5), was ein Ausgangsdrehmoment von 200 (165), 100 (70) und 40 (30) Nm maximal (Normbetrieb) und eine Gelenkwinkelgeschwindigkeit bis zu 1.9 rad/sec ermöglicht.
Drehmomentensensor Jedes Gelenk des LBR III besitzt einen Drehmomentensensor zwischen der Ausgangsseite des Getriebes und der angrenzenden Struktur, welcher die anliegenden Drehmomente mittels einer DMS-Brücke misst. Der Messbereich der verschiedenen Gelenke beträgt (+/-) 165, 70 und 30 Nm für die Achsen 1/2, 3-5 und 6/7. Positionssensoren Jedes Gelenk enthält zwei unterschiedliche Positionssensoren: Einen inkrementellen Sensor mit hoher Auflösung auf der Motorseite (zur Motorkommutation und Gelenkregelung) sowie einen abtriebsseitigen Absolutsensor zur Gelenkwinkelmessung.
Leistungselektronik Jedes Gelenk besitzt seine eigene Leistungselektronik, welche sechs verschiedene galvanisch isolierten Versorgungsspannungen aus einem 48V-DC-Eingangstrom erzeugt. Diese Leistungselektronik versorgt das Controllerboard, die Leistungswandler und alle Sensoren.
Gelenk- and Motorcontroller Board Das Controllerboard umfasst zwei DSPs. Der Gelenkregler läuft mit einer Zykluszeit von 330µs auf einem TMS320VC33 Fließkomma-DSP von TI. Dieser DSP ist verantwortlich für die Kommunikation mit dem Robotercontroller über den SERCOS-Bus, das abspeichern und die Kalibration von Sensordaten sowie die Kalkulation der Stromstärkenbefehle für den Motorcontroller über ein Dual Port Ram. Der Motorcontroller, ein DSP56F807 von Freescale/Motorola, errechnet die Motorposition und -geschwindigkeit mit einer Zykluszeit von 25us und misst die Temperaturen, Motorströme und Hall-Signale.
Leistungswandler Der Leistungswandler wurde für Dreiphasenmotoren entwickelt und misst zwei Phasenströme und die Brückenspannung galvanisch isoliert. Zusätzlich steuert das Leistungswandlerboard auch die Sicherheitsbremse des Motors.
Struktur Die Roboterstruktur ist ein CFK-Exoskelett. Die verschiedenen Segmente bestehen aus unidirektionalen Karbonfasergeweben, welche auf einen Trägerstoff genäht werden. Diese Vorformlinge werden in eine Negativform gelegt, mit Epoxidharz getränkt und schließlich gepresst, um zur Gewichtsreduzierung überschüssiges Harz zu entfernen. Mit dieser Technik können leichte und stabile Freiformsegmente produziert werden, in denen die tragenden Fasern optimal entsprechend der erwarteten Belastungsrichtung ausgerichtet sind.