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Forschung

Virtuelle Welt erobert Produktion

Virtuelle Welt erobert Produktion. Das Fraunhofer IPA bietet Lösungen für verschiedene Abschnitte der industriellen Wertschöpfungskette an.

Die Software drag&bot liefert fertige Programmbausteine, die sich über eine grafische Bedienoberfläche intuitiv zu komplexen Roboterapplikationen zusammenfügen lassen. © Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez

Das Fraunhofer IPA in Stuttgart setzt beispielsweise Materialflusssimulationen realistisch um. Mobile Roboter, die über die Cloud miteinander vernetzt sind, kartieren ihre Umgebung kooperativ und planen ihre Routen mit Hilfe des virtuellen Abbildes der Produktion (Digitaler Schatten). Spontan auftretende Hindernisse werden mit vorgegebenem Sicherheitsabstand umfahren, ohne dass es zu Staus oder Kollisionen kommt.

Der Griff in die Kiste wird immer besser
Auch die automatisierte Handhabungstechnik wird immer effizienter. Das Team um Felix Spenrath befasst sich mit der Software bp3, die dem erfolgreichen Griff-in-die-Kiste zu Grunde liegt, und entwickelt sie weiter. Dank der verbesserten Algorithmen und neuer Sensortechnik können Industrieroboter nun selbst flache, unsortiert gelagerte Blechteile erkennen und greifen. Die Informationen, die moderne 3D-Sensoren liefern, werden also optimal genutzt. Die intuitive Benutzeroberfläche erleichtert und beschleunigt die Programmierung derart, dass sich die Investitionskosten für eine Handhabungszelle schon nach zwei Jahren amortisieren.

Mithilfe des Maschinellen Lernens werden die Objekt- erkennung und die Vereinzelung ungeordnet herumliegender Bauteile derzeit weiter verfeinert. Im Forschungsprojekt „Deep Grasping“ entsteht aktuell eine virtuelle Lernumgebung. Darin üben Roboter bereits vor ihrer Inbetriebnahme unterschiedliche Greifprozesse an den Werkstücken, mit denen sie später im operativen Betrieb arbeiten sollen. Neuronale Netze lernen aus diesen simulierten Griffen und verbessern so ihr Prozesswissen kontinuierlich.

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An Ellenbogen und Schultern haben die Experten Antriebsmodule integriert, die Bewegungen mit hohem Drehmoment unterstützen. © Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez

Software drag&bot vereinfacht Roboter- programmierung
Roboter kommen in kleinen und mittelständischen Unternehmen bisher nur selten zum Einsatz. Der Grund: Die herstellerspezifischen Programmiersprachen sind komplex; meist müssen externe Fachleute beauftragt werden, um einen Roboter an neue Aufgaben heranzuführen. In Zeiten intuitiv bedienbarer Smartphones und Tablets ist eine derart zeit- und kostenintensive Roboter-Programmierung aber nicht mehr fortschrittlich, meinen die Forscher vom Fraunhofer IPA. Sie haben die Software drag&bot entwickelt, die den Programmieraufwand auf ein Minimum reduziert. drag&bot liefert fertige Programmbausteine, die sich über eine grafische Bedienoberfläche schnell und intuitiv zu komplexen Roboterapplikationen zusammenfügen lassen. Zusätzlich vereinfachen Bedien- und Eingabehilfen die Parametrisierung der Bausteine. Damit sei kein Expertenwissen mehr nötig, um Roboter verschiedener Hersteller umzuprogrammieren.

ROS-Industrial: Open-Source-Software in Industriequalität
Dank einer wiederverwendbaren Software-Infrastruktur erleichtert das Betriebssystem „Robot Operating System“ (ROS) die Softwareerstellung sowohl für Roboter als auch für Robotersysteme, die komplexe Aufgaben ausführen. Auch standardisierte Schnittstellen sind eine wesentliche Vereinfachung. Denn ROS stellt die gesamte Robotik auf eine gemeinsame Grundlage – so wie Linux bei Computern oder Android bei Smartphones. Endanwender und Systemintegratoren müssen komplexe Funktionen nicht immer wieder neu entwickeln, denn diese stellt ihnen die Open-Source-Software ROS zur Verfügung – vor allem aus den Bereichen mobile Navigation, Greif- und Roboterbewegungsplanung, Simulation sowie Bild- und Sensorverarbeitung. Eine wachsende Anzahl hochentwickelter Softwarekomponenten ist frei verfügbar und erfüllt inzwischen die Qualitätsanforderungen der Industrie. Andere gruppieren die Entwickler zu umfangreichen Bibliotheken, in die ihre Erfahrungen aus vielen verschiedenen Forschungs- und Industrieprojekten einfließen. ROS-Industrial ist eine Inititative, die in Europa vom Fraunhofer IPA gemanagt wird und den Technologietransfer von ROS in die industrielle Umgebung fördert.

Ein „E-Bike zum Anziehen“
Die IPA-Forscher wollen dazu beitragen, Mitarbeiter in der Produktion körperlich zu entlasten. Das kann mit dem vorgestellten Exo-Jacket, einem Oberkörperexoskelett, geschehen. Es versorgt den Träger mit zusätzlicher Kraft, ohne ihn einzuschränken. An Ellenbogen und Schultern haben die Entwickler Antriebsmodule integriert, die Bewegungen mit hohem Drehmoment unterstützen. Dabei sorgt eine Impedanzregelung mittels Drucksensoren in den Armschalen für eine geschmeidige Mitbewegung des Exoskeletts. An der Schulterpartie ist eine Gelenkkette mit fünf Rotationsachsen angebracht. Die Kette folgt der Schultergelenkgruppe in jede Position. Das Antriebselement sitzt also immer dort, wo die Schulter gerade ist. Auf diese Weise werden komplexe Bewegungen in drei Richtungen ermöglicht: nach oben, hinten und innen. Selbst Überkopfmontagen lassen sich so bewältigen. Die Module werden nur aktiv, wenn sie tatsächlich gebraucht werden. Mittelfristig wollen die Stuttgarter Entwickler einen Modulkasten für unterschiedliche Einsatzgebiete entwickeln. Dafür wird ein bewegungsdatengestützter Entwicklungs- und Simulationsworkflow aufgebaut. pb

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