Bin-Picking

„Wir sind einsatzfähig“

Software, Sensoren, Greifer: Beim Bin-Picking spielen viele Faktoren zusammen. Für den industriellen Einsatz reichte das in vielen Fällen nicht aus – vor allem auch, weil die Zugriffszeiten zu langsam waren. Fraunhofer IPA hatte mit einer zweiarmigen Lösung beim handling award 2014 Erfolg. Bernd Waßmann sprach mit IPA-Mitarbeiter Felix Spenrath über den Stand der Dinge.

Felix Spenrath, Fraunhofer IPA: Software und Technik des zweiarmigen Bin-Pickings sind flexibel. (Foto: Waßmann)

Der Griff in die Kiste gehört zu den beliebtesten Aufgaben, die im Markt für Roboter existieren. Nach zahllosen Firmen und Instituten hat sich nun auch das Fraunhofer IPA bemüht – vor welchem Hintergrund?
Begonnen haben wir mit diesem Thema bereits vor über zehn Jahren, insbesondere auch durch das EU-Forschungsprojekt SME-Robot. Hier wurde der Griff in die Kiste erstmals industriell umgesetzt. Es gibt sehr viele Anfragen – aber es gibt auch noch einen hohen Forschungsbedarf, um den Griff in die Kiste weiter zu verbessern.

Wo bestehen die Defizite?
Die Forschung geht primär in Richtung erhöhter Geschwindigkeit. Neben dem Erreichen der Taktzeiten ist eine möglichst hohe Verfügbarkeit gefragt. Die Roboter müssen sich mit den verschiedenen Gegebenheiten zurechtfinden – und sie müssen die Kiste leer bekommen. Die schwierigste Situation ergibt sich, wenn nur noch wenige Teile in den Ecken liegen. Dann geht es darum, diese Teile zu entnehmen.

Es handelt sich nicht nur um eine akademische Disziplin, sondern es liegt industrieller Bedarf vor?
Wir haben sehr viele Anfragen, und auf unseren Messebeteiligungen stoßen wir auf hohes Interesse. Schüttgut kommt in der Industrie immer noch sehr häufig vor, weil die Lagerung in Kisten einfacher ist, als sie aufwändig in Formnester zu legen. Es besteht ein enormes Potenzial, diese häufig noch manuell vorgenommene Entnahme zu automatisieren.

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Das Fraunhofer IPA hat mit seiner Lösung des zweiarmigen Bin Pickings den handling award 2014 gewonnen. Inwieweit ist die siegreiche Umsetzung bereits in der Praxis zu sehen?
Wir sind einsatzfähig – zehn Realisierungen wurden bereits in Zusammenarbeit mit Systemintegratoren umgesetzt. Eine Installation läuft seit fast drei Jahren im Dreischichtbetrieb und erreicht eine Verfügbarkeit von über 98 Prozent. Damit lässt sich die Industrietauglichkeit absolut bestätigen.

Die Besonderheit an der IPA-Lösung ist das zweiarmige System, ...
... das primär sehr schnell in der Berechnung ist. Wir kommen sehr rasch zu möglichen Greiflösungen, was notwendig ist, um den Roboter sinnvoll einsetzen zu können. Der Zweiarm-Roboter soll vor allem die Geschwindigkeit erhöhen, weil er mit einem Arm greifen und dem anderen ablegen kann. Das kann nur funktionieren, wenn die Berechnungszeiten für die Entnahmeplanung kurz genug sind.

Rechnen Sie damit, dass sich Wettbewerber demnächst ebenfalls zweiarmig aufstellen?
Prinzipiell ja, aber das setzt voraus, dass Wettbewerber die entsprechende Berechnungszeit schaffen können. Ob diese Geschwindigkeit von der Konkurrenz ebenfalls zu erreichen ist, können wir aus unserem Blickwinkel oft nur sehr schwer beurteilen.

Generell bestimmen zwei Parameter die Entwicklungsgeschwindigkeit: die Bildsensoren und die Software?
Wir gehen davon aus, dass wir in Zukunft bessere Sensoren erwarten können. Die Software ist letztendlich von den gelieferten Daten abhängig. Neue Sensoren werden den Zugriff stabiler gestalten können, weil sie weniger Rauschen erzeugen und genauere Messdaten liefern. Damit verändert sich auch die reine Berechnungsgeschwindigkeit. Optimierungen in der Software werden dann zu einem verbesserten Resultat führen.

Mit den neuen Sensoren können sie quasi die Ecken besser auskehren?
Gerade in den Ecken ergibt sich das Problem, dass keine klaren Messdaten geliefert werden. Oftmals geht das Bild in den Kistenrand über, und es ergeben sich Schwierigkeiten, ein klares Bild zu erzeugen. Je genauer allerdings das Bild ist, desto leichter tut sich die Software, letzte Bauteile zu erkennen.

Spielt dabei die Bauweise der Kiste eine Rolle?
In gewissem Maße ja. Wenn Kisten mit Rippen versehen sind, können sich die Bauteile dazwischen verstecken. Das macht das Erkennen schwieriger, aber nicht unmöglich.

Welche Besonderheiten machen den Erfolgsschlüssel Software bei der IPA aus?
Prinzipiell beruht die Software auf zwei Kernkomponenten. Da ist einerseits die Objektlageerkennung. Die Bauteile müssen gesucht und gefunden werden. Und im zweiten Fall muss eine entsprechende Entnahmeplanung durchgeführt werden. Es muss bestimmt werden, welches Bauteil kollisionsfrei entnommen und welcher Griff dazu genutzt werden kann. Wir bieten diese beiden Komponenten in einer Lösung an. Damit haben wir keinerlei Schnittstellenproblematik. Ein weiteres Merkmal ist die automatische Kistenlokalisierung. Damit muss die Kiste nicht millimetergenau positioniert werden.

Sie nutzen den Überblick über die gesamte Oberfläche und entscheiden dann, welches Bauteil entnommen wird?
In vielen Fällen ja. Es gibt aber auch Situationen, in denen wir mit dem Sensor nur Teile der Kiste sehen. Wir haben bereits Lösungen realisiert, bei denen der Sensor in den Greifer integriert ist. Damit sieht der Sensor nur eingeschränkte Bereiche der Kiste, aus denen Teile entnommen werden.

Der Zugriff erfolgt über beide Roboterarme?
Beide Arme sind voll funktionsfähig. Sie holen im Wesentlichen abwechselnd Teile aus der Kiste. Die beiden Greifer weisen auch eine unterschiedliche Kontur auf. Das ist dann nützlich, wenn einer der Greifer aus geometrischen Gründen nicht zugreifen kann. In diesem Fall entnimmt der zweite Arm das Teil. Beide Arme bedienen eine Maschine.

Wie leicht lässt sich die Software bp3 in industrielle Anforderungen integrieren?
Wir können im Grunde mit allen Roboterherstellern arbeiten. Das gilt auch für die Sensoren. Wir sind hier nicht auf einen Hersteller festgelegt, sondern können uns den Sensor aussuchen, der für die gegebene Aufgabenstellung am besten geeignet ist.

Das Ziel der IPA-Entwicklung waren Taktzeiten unter zehn Sekunden. Erwarten Sie für die nähere Zukunft Vision-Systeme, die noch einmal eine deutliche Absenkung der Taktzeit ermöglichen?
Schon in den vergangenen Jahren gab es signifikante Weiterentwicklungen. Das wird sich fortsetzen. Die Sensorhersteller sehen das Potenzial des Griffs-in-die-Kiste und versuchen die Sensoren auch dahingehend zu optimieren.

Als zentrales Problem galt bislang auch die Geometrie des Werkstücks. Kann man dieses Problem ad acta legen?
Die Lokalisierung stellt sich nicht als Problem dar. Die Schwierigkeit ist eher das Greifkonzept. Wir müssen Lösungen finden, die Bauteile aus jeder Lage greifen zu können. Der Greifer muss flexibel sein – aber auch schlank, um in der Kiste keine Störkontur zu bieten und Kollisionen zu verursachen. Das fordert sehr oft Individuallösungen.     bw

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