Intuitive Roboterprogrammierung.

Er weiß selbst, was zu tun ist

Der Lehrstuhl für Robotik und Eingebettete Systeme der Universität Bayreuth entwickelt eine intuitive Roboterprogrammierung, die dem Roboter auf einfache Art neue Aufgaben beibringt.

Die einmal vom Werker demonstrierte Aufgabe wird vom Roboter automatisch für jedes Werkstück an unterschiedlichen Stellen ausgeführt. (Foto: Uni Bayreuth)

Aktuell sind zwischen 1,3 und 1,6 Millionen Roboter in der Industrie im Einsatz. Vor allem in der Automobil- und Elektroindustrie sorgen sie für anhaltend hohe Qualität, niedrige Taktzeiten und geringe Produktionskosten. Noch beschränkt sich der Fokus auf produzierende Branchen mit hohen Stückzahlen – in kleinen und mittelständischen Unternehmen sind Roboter nur selten anzutreffen, obwohl sie dort großes Potenzial für mehr Wirtschaftlichkeit bergen.

Dass Roboter vorwiegend in der Massenproduktion eingesetzt werden, liegt vor allem an der komplizierten Programmierung. Üblicherweise schreibt ein Experte ein Programm am Computer, anschließend werden die im Programm genutzten Positionen direkt am Roboter verifiziert oder korrigiert. Dieses Vorgehen setzt Fachwissen voraus und ist zeitintensiv. Eine ältere Alternative hierzu ist die Playback-Programmierung, bei welcher der Programmierer den Roboter bei gelösten Bremsen durch die Aufgabe führt. Die Bahn des Roboters wird aufgezeichnet und später erneut abgefahren. Problematisch hierbei ist die fehlende Flexibilität, da nicht auf Sensorinformationen reagiert werden kann. Wird beispielsweise das Aufgreifen eines Bauteils programmiert, muss sich dieses Teil bei der Ausführung immer an der gleichen Stelle befinden. Gerade kleine Unternehmen könnten Roboter gut nutzen, wenn Mitarbeiter ohne Robotik-Kenntnisse sie einfach und effektiv programmieren könnten und die Roboter dank künstlicher Intelligenz flexibel auf Änderungen reagieren. Im genannten Beispiel würde dies bedeuten, dass das aufzugreifende Bauteil nicht an einer fest definierten Stelle, sondern irgendwo auf dem Arbeitstisch platziert werden kann.

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Iterative Anpassung der Roboterbahn
Zu diesem Zweck wird am Lehrstuhl für Robotik und Eingebettete Systeme der Universität Bayreuth im Rahmen des DFG-Projektes INTROP eine intuitive Roboterprogrammierung entwickelt, mit der dem Roboter auf einfache Art neue Aufgaben beigebracht werden. Der Programmierer demonstriert die Aufgabe lediglich ein einziges Mal am Roboter, indem er ihn durch die Aufgabe führt. Zusätzlich werden mit Kameras die für die Aufgabe notwendigen Ressourcen, etwa Objekte, erkannt. Existieren in der Ausführung Abweichungen bezüglich dieser Objekte, weil sich beispielsweise deren Position verändert hat, wird die vom Programmierer demonstrierte Bahn entsprechend angepasst. Dazu wird die Bahn als Kette dynamischer Partikel betrachtet, die untereinander und teilweise auch mit der Umwelt verbunden sind. Werden während der Ausführung beispielsweise Unterschiede zwischen der Soll- und Ist-Position von Objekten erkannt, entstehen dadurch Kräfte auf die Partikel, aufgrund derer sich die Bahn iterativ anpasst. Somit kann der Roboter die demonstrierte Aufgabe auch unter geänderten Bedingungen erfolgreich ausführen. Da die Adaption online geschieht, können die Objekte selbst dann noch bewegt werden, wenn der Roboter bereits mit der Ausführung begonnen hat.

Eine Herausforderung ist es, zu erkennen, welche Teile der Bahn sich welchen Objekten zuordnen lassen. Während ein Menschen dies mit entsprechendem Hintergrundwissen meist einfach beantworten kann, stellt es den Roboter aufgrund der geringen Informationen vor eine Hürde. Der Lehrstuhl hat daher im Rahmen des INTROP-Projektes entsprechende Heuristiken zur Lösung des Problems erarbeitet. Um die Integration von Robotern weiter zu fördern, wurde dieser Ansatz zudem mit einer eigens entwickelten verhaltensbasierten Architektur für Industrieroboter kombiniert. Dadurch müssen einmal programmierte Aufgaben nicht explizit vom Programmierer gestartet werden, sondern der Roboter erkennt selbst, wenn er eine Aufgabe erledigen kann und führt diese aus.

Der Roboter setzt Prioriäten
Können gleich mehrere Aufgaben durchgeführt werden, setzt das System ein Scheduling ein, um die Aufgaben nach bestimmten Kriterien zu priorisieren und geordnet abzuarbeiten. Zudem ermöglicht die Architektur das Unterbrechen von Aufgaben zugunsten höher priorisierter Aufgaben, was eine geringe Reaktionszeit ermöglicht. Unterbrochene Aufgaben lassen sich zu einem späteren Zeitpunkt sicher wiederaufnehmen und beenden. Im Rahmen des Projekts hat der Lehrstuhl mit einem Kuka-Leichtbauroboter einen Prototyp entwickelt. Die Verfahren wurden mit diversen Anwendungen in Industrie und Haushalt erfolgreich erprobt. Um die entwickelten Ansätze weiter zu verbessern, wird derzeit an multimodalen Programmiermethoden und an der Erkennung und Behebung von Fehlern während der Ausführung geforscht. pb


Universität Bayreuth

Kurz erklärt:
Der Lehrstuhl für Robotik und Eingebettete Systeme der Universität Bayreuth
Der Lehrstuhl Robotik und Eingebettete Systeme der Universität Bayreuth wurde 2003 von Prof. Dr. Dominik Henrich gegründet. Er beschäftigt sich mit Robotern als informationsverarbeitende Systeme, die ihre Umwelt erfassen, verändern und mit ihr interagieren können. Ein Forschungsschwerpunkt ist die intuitive Programmierung von Robotern mit dem Ziel den hohen Programmieraufwand zu reduzieren, die Roboter auch Nicht-Experten nutzbar zu machen und damit die Anwendungsmöglichkeiten zu vergrößern. Hierzu werden die einfache Sensorintegration, das Programmieren durch Vormachen, sowie imperative und deklarative Ansätze betrachtet. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Koexistenz und Kooperation von Mensch und Roboter, um die strikte räumliche Trennung zwischen Mensch und Roboter aufzuheben und ihre Stärken synergistisch zu kombinieren. Hierzu werden kamerabasierte Raumüberwachung, Kollisionserkennung, Bewegungsplanung und Intentionserkennung betrachtet. Weitere Infos http://www.ai3.uni-bayreuth.de.


Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.)

Kurz erklärt:
Der MHI e.V.

Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Der MHI e.V. hat derzeit 18 Mitglieder, die über ihre Institute und Lehrstühle rund 1.000 Wissenschaftler repräsentieren. Gewählter Präsident ist Prof. Bernd Kuhlenkötter von der Ruhr-Universität Bochum, weitere Vorstandsmitglieder sind Prof. Alexander Verl (Fraunhofer Gesellschaft), Prof. Jörg Franke (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) und Prof. Thorsten Schüppstuhl (Technische Universität Hamburg-Harburg). Der MHI versteht sich als enger Partner der deutschen Industrie; die Gesellschaft wird durch einen industriellen Beirat, bestehend aus Führungspersönlichkeiten großer und bekannter deutscher Unternehmen, unterstützt. Zudem besteht eine Kooperation mit dem Fachverband Robotik + Automation im VDMA. So wird die Gestaltung von Forschungs-Schwerpunktthemen angeregt. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de

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