FORobotics

Trends der Robotik

Mobile ad-hoc kooperierende Roboterteams in der Fabrik der Zukunft. Der Forschungsverbund „FORobotics“ untersucht die Einsatzmöglichkeiten und Potenziale von autonomen, mobilen Robotern in der Produktion. Allein oder im Team mit dem Werker übernehmen die Roboter variierende Aufgaben und sind flexibel in der Fabrik einsetzbar.

Demonstrator des Forschungsverbunds FORobotics: Automatisierte Kommissionierung von Schäferkisten durch einen autonomen, mobilen Roboter. © Bernd Müller

Eine klassische Produktionsstraße mit Roboterautomatisierung besteht aus mehreren Robotern, die repetitive, monotone und hochspezialisierte Aufgaben ausführen, etwa das Setzen von Schweißpunkten. Auf solchen Anlagen wird meist ein Produkt in hoher Stückzahl hergestellt. Die Individualisierung von Konsumgütern führt zu einer multivarianten Produktion. Vision ist, dass die Produktionsanlage der Zukunft eine Vielzahl von Produkten mit der Stückzahl eins fertigen kann.

Ein weiterer Trend ist der Betrachtungswandel vom Roboter als Werkzeug hin zu einem „Partner“, der Hand in Hand arbeitet, wodurch menschliche und maschinelle Fähigkeiten gewinnbringend kombiniert werden können. Enthusiasten prognostizieren den baldige Aufbruch in ein Zeitalter der Mensch-Roboter-Kollaboration.

Schließlich führt die Digitalisierung zu leichter rekonfigurierbaren Systemen. Die historisch starke Koppelung zwischen Hardware und Software eines Herstellers lockerte sich bereits in den Bereichen der Computer- und Smartphone-Technologie. Betriebssysteme dienen dort dazu, Hardwarekomponenten und Software-Applikationen verschiedener Hersteller in einem System zu integrieren; einzelne Komponenten lassen sich dann einfach austauschen.

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Mobile Roboterteams
Mithilfe mobiler Roboter lassen sich rekonfigurierbare, variantenreiche Produktionsanlagen realisieren. Solche Roboter können ihre Werkzeuge ortsflexibel einsetzen oder Transporte vornehmen. Um Aufgaben zu lösen, die nicht von einem Roboter allein bearbeitet werden können oder die einen vielfältigen Satz an Fähigkeiten benötigen, können Arbeitsteilung und Kollaboration angewendet werden. Ein Team aus Robotern und Menschen kann komplizierte Aufgaben lösen und lässt sich aufgabenspezifisch zusammensetzen und rekonfigurieren. Schlüsselaspekte sind hier die Mobilität, die Kollaboration und die dynamische Rekonfiguration. Mit dieser Thematik beschäftigt sich der von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderte Forschungsverbund „FORobotics“, bestehend aus mehr als 25 Partnern aus Forschung und Industrie. In der Vergangenheit wurden hierzu Anwendungsfälle im industriellen Umfeld analysiert und Spezifikationen für die Hardware- und Softwareplattform eines ad-hoc kooperierenden, mobilen Roboters abgeleitet. Herausforderung hierbei ist, dass Menschen und Maschinen nicht mehr durch einen Sicherheitszaun getrennt werden. Einerseits müssen Absicherungen getroffen werden, um den Menschen vor Störungen und Verletzungen durch den Roboter zu schützen. Andererseits ist auch der Roboter ohne Schutzzaun einer unstrukturierten, dynamischen Umgebung ausgesetzt. Wo innerhalb des Schutzzaunes alle Betriebsmittel einen definierten Platz haben, können außerhalb Menschen unvorhersehbare Aktionen ausführen oder Hindernisse plötzlich den Fahrweg versperren.

Aufgabenorientierte Planung
Der Einsatz von mobilen Robotern in dynamischen, unstrukturierten Umgebungen kombiniert mit dem Wunsch der flexiblen Ausführung variierender Produktionsaufgaben stellt neue Anforderungen an die Ressourcen. Innerhalb der Planung und Programmierung geht der Trend weg von einer statischen und imperativen hin zu einer dynamischen und aufgabenorientierten. Hierfür verfolgt der Forschungsverbund einen ganzheitlichen Ansatz von der Ebene der Produktionsplanung und -steuerung bis hin zur Feldebene.

Das Funktionsspektrum eines mobilen Roboters ist abhängig von dessen Hardwarekonfiguration sowie installierter Softwaremodule und lässt sich durch dessen Fähigkeiten, etwa „Bewegen“ oder „Greifen“, beschreiben. Auf dieser Basis werden die Funktionalitäten zur Realisierung bestimmter Fähigkeiten in einzelne Softwaremodule (Apps) gekapselt. Entgegen klassischer Industrieroboter enthalten die Apps keine statischen Programmabläufe, sondern implementieren autonomes Verhalten, beispielsweise die Navigation zu einer Zielpose samt dynamischen Ausweichens bei unvorhergesehenen Hindernissen. Angelehnt an Apps aus dem Consumer-Bereich wird so die freie Konfiguration der Fähigkeiten des mobilen Roboters durch die individuelle Zusammenstellung seiner Apps innerhalb einer modularen Softwarearchitektur angestrebt.

Die Produktionsaufgaben, die der mobile Roboter übernehmen soll, werden semantisch analog zu dessen Fähigkeiten beschrieben. Dies ermöglicht einen automatischen Abgleich und damit Zuweisung von Produktionsaufgaben zu alternativen Betriebsmitteln. Variable Konfiguration des Fähigkeitenprofils eines Roboters und die Möglichkeit, dass identische Aufgaben von Robotern mit heterogenem Aufbau übernommen werden können, führen in Summe zu einer hohen Komplexität in der Planung. Dieser Tatsache wird durch die hierarchische Dekomposition der Aufgaben und einer Ausplanung auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen begegnet. Zukünftig soll so die dynamische Auswahl von Betriebsmitteln sowie die flexible Zusammenstellung geeigneter Teamkonstellationen realisiert werden und damit eine einfache Adaption auf neue Anwendungsfälle und schnelle Reaktion auf sich ändernde Rahmenbedingungen in der Produktion ermöglicht werden.

L. Heuss/S. Roder/pb


Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München © Technischen Universität München

Kurz erklärt: Das iwb
Das Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München ist eine der großen produktionstechnischen Forschungseinrichtungen in Deutschland und umfasst zwei Lehrstühle der Fakultät für Maschinenwesen in Garching bei München. Die beiden Ordinariate, der Lehrstuhl für Betriebswissenschaften und Montagetechnik sowie der Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, definieren die Forschungsinhalte und Themenschwerpunkte in den Bereichen Additive Fertigung, Werkzeugmaschinen, Montagetechnik und Robotik, Füge- und Trenntechnik sowie auf dem Gebiet Produktionsmanagement und Logistik.
www.iwb.mw.tum.de

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

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. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de.

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