Handhabung

Umgang mit deformierbaren Objekten

Interdisziplinäres Forschungsprojekt „Soft Tissue Robotics“. Für eine automatisierte Handhabung weicher Bauteile arbeiten Forscher an einem Mehrkörpersystem-Ansatz.

Automatisierte Handhabung weicher Teile. © Uni Stuttgart, Uli Regenscheit

Industrieroboter führen im Produktionsumfeld gleichförmige und gleichgerichtete Arbeitsabläufe präzise und zuverlässig aus; sie überbieten den Menschen hinsichtlich Genauigkeit und Ausdauer. Aber sie können Prozessunsicherheiten (noch) nicht ausgleichen oder flexibel auf unvorhergesehene Änderungen im Arbeitsablauf reagieren. Bei Handhabungsaufgaben mit weichen Materialien und verformbaren Bauteilen wie Kabeln, Schläuchen, Dichtungsringen, Textilien und Lebensmitteln gibt es jedoch Störgrößeneinflüsse: Weiche Bauteile variieren zeit- und prozessabhängig in ihren Merkmalen; die geometrische Form, das kinematische und dynamische Verhalten oder Materialparameter wie Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften ändern sich.

Aufgabenstellungen, die der Mensch mit seinen sensormotorischen und kognitiven Fähigkeiten intuitiv lösen kann, etwa das Erkennen eines verformten Objekts und das Ableiten einer geeigneten Griffstrategie, ist eine bislang ungelöste Herausforderung für Robotersysteme. Deshalb ist der Automatisierungsgrad bei Handhabungs- und Montageaufgaben mit weichen und biegeschlaffen Bauteilen noch gering. Existierende Ansätze sind meist anwendungsspezifische Individuallösungen. Um Automatisierungslösungen für weiche Materialien finden zu können, muss das komplexe Materialverhalten und seine Auswirkungen auf die Handhabungsprozesse zunächst verstanden werden; erst dann sind resultierende Unsicherheiten abschätzbar und regelungstechnisch kompensierbar.

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Ein internationales Graduiertenkolleg der Universität Stuttgart widmet sich in Kooperation mit der University of Auckland, Neuseeland, in einem interdisziplinären Ansatz dieser Thematik, um das im allgemeinen anisotrope und stark nichtlineare Materialverhalten explizit zu untersuchen. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Wissenschaftler aus den Bereichen Biomechanik, Medizin- und Simulationstechnik sowie Steuerungs- und Regelungstechnik arbeiten zusammen daran, das komplexe Materialverhalten mittels moderner Simulationsmethoden vorherzusagen, um diese Informationen in die Roboter-Steuerungsarchitektur zu integrieren. Das Forschungsprogramm hat drei Schwerpunktbereiche: Modellieren und Entwickeln neuer Simulationstechniken; Automatisierung, Regelung, Steuerung und Optimierung; biologische und technische Konzepte passender Roboterkinematiken. Das Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Universität Stuttgart (ISW) bringt hier seine Kernkompetenzen in Sachen Steuerungstechnik, Regelung und Modellierung in das Forschungsprojekt ein und schließt damit die Schnittstellen zwischen virtueller und realer Welt.

Weiche Objekte sind eine harte Nuss
Während sich die Handhabung für starre Objekte darauf beschränkt, die sechs Freiheitsgrade des zu handhabenden Starrkörpers zu kontrollieren, müssen beim Handling weicher Objekte theoretisch unendlich viele Freiheitsgrade beherrscht werden. Da ein direktes Beeinflussen des Objekts lediglich dort möglich ist, wo es gegriffen wird, kann auf die weiteren Freiheitsgrade ausschließlich indirekt Einfluss genommen werden. Inwiefern ein Systemeingang (Greiferbewegung) sich auf den Systemausgang (Positionsänderung des Handhabungsobjektes) auswirkt, wird durch das Zusammenspiel des dynamischen Verformungsverhaltens sowie der äußeren Kontaktkräfte beschrieben.

Um diese komplexe Wechselwirkung zu erfassen, ist ein Verhaltensmodell des Materials erforderlich. Menschen erreichen dies durch Lernen: Über Interaktion und Beobachtung begreifen sie das Materialverhalten und können Zustandsinformationen für Handhabungs- und Montageaufgaben schätzen; die weitentwickelte Sensorik (Augen und Tastsinn) in Kombination mit einem hochkomplexen neuronalen Netz (Gehirn) ermöglicht dies.

Obwohl diese beiden Komponenten bereits technisch nachgebildet werden können, ist es noch ein weiter Weg, bis Roboter mit annährend menschlicher Intelligenz ausgestattet sind und solche gelernten Verhaltensmodelle prozesssicher zur Planung und Regelung von Handhabungsaufgaben nutzen können. Ein Ansatz ist es, das Materialverhalten über physikalische Modelle anzunähern, in dem grundlegende mechanische Zusammenhänge abgebildet sind. Hierin wird a priori bekanntes Wissen über die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten, denen weiche Materialien unterliegen, bereits berücksichtigt.

Der bekannteste Vertreter der physikalischen Modellierung ist die Methode der Finiten Elemente (FEM). Nachteil hier ist hauptsächlich die Berechnungszeit, die bei der Analyse des nichtlinearen zeitabhängigen Dynamikverhaltens enorm ansteigt. Insbesondere unter der Berücksichtigung von Kontakt und großen Rotationen ist diese Methode in der Praxis unpraktikabel.

Verhaltensmodell Mehrkörpersystem
Ein alternativer Ansatz ist die Modellierung weicher Bauteile mit Hilfe von Mehrkörpersystemen. Diesem Ansatz liegt die Annahme zugrunde, dass sich das Materialverhalten durch eine Verknüpfung von mechanischen Modellelementen wie Massen, Trägheiten, Federn, Dämpfern und Gelenken nachbilden lässt. Ein Beispiel für die Modellierung von Kabeln und Schläuchen ist die Finite-Segmente-Methode: Das verformbare Objekt wird als System von Starrkörpern interpretiert, die durch entsprechende Gelenke miteinander gekoppelt sind. Feder-Dämpfer-Elemente in den Gelenken modellieren das Nachgiebigkeitsverhalten des Gesamtsystems. Somit lassen sich große Verformungen von Objekten sowie große Rotationsbewegungen mit vergleichsweise wenigen Freiheitsgraden modellieren. Diese reduzierten Modelle eigenen sich wesentlich besser für den Einsatz in Steuerungsalgorithmen. Beispielsweise können die in den physikalischen Modellen hinterlegten Informationen über die Objekteigenschaften und das Verformungsverhalten in der Trajektorienplanung und zur modellbasierten Regelung des Roboters genutzt werden. Damit sollen in der Zukunft autonome Robotersysteme realisiert werden, welche selbstständig Lösungsstrategien für Handhabungsaufgaben mit weichen Objekten finden.

Markus Wnuk/Armin Lechler/Alexander Verl/pb

Universität Stuttgart, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW)
www.isw.uni-stuttgart.de

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