Möglichst groß und flach – auf diese Kurzformel lässt sich das Verbraucherverhalten in puncto Fernseh­erlebnis bringen. Die Hersteller stellt dieser Trend im Bereich der Logistik vor ein Problem: Mit der Größe der Flatscreens steigt deren Gewicht und überschreitet mit 50 kg bereits die erlaubten Belastungslimits des Personals. Ergo stellt sich die Frage, inwieweit ein Roboter dem Werker gefühlvoll in einem sich stets ändernden Jobumfeld interaktiv, rasch und sicher zur Hand gehen kann. Antworten hierauf soll das EU-Projekt CustomPacker (Highly Customizable and Flexible Packaging Station for mid- to upper sized Electronic Consumer Goods using Industrial Robots) liefern.

Konzept eines Roboters, basierend auf einem aktiven Kontaktflansch. Mittels dieser Technologie ist der Roboter in der Lage, Lasten über 50 kg „butterweich“ zu hantieren.

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Ziel des aus internationalen Partnern bestehenden Konsortiums ist die Entwicklung neuer Methoden und Systeme als Fundament für eine neue Generation von Robotern im industriellen Umfeld. Das heißt: Die Produktion soll flexibel und adaptiv bei Änderungen der Roboterumgebung und des Prozesses erfolgen können. Weiter sollen eine intuitive Programmierung und Rekonfiguration der Systeme ohne Roboterkenntnisse sowie eine Verbesserung der Ergonomie des Arbeitsplatzes in der Produktion entstehen. Nicht zuletzt ist vorgesehen, dass ein kooperatives Arbeiten zwischen Mensch und Industrieroboter die Durchführung von Prozessen in handarbeitsintensiven Produktionsstätten erlaubt beziehungsweise erst ermöglicht.

Ausgangspunkt für das Projekt ist die Tatsache, dass die geschilderten Anforderungen bei der Verpackung großer Elektronikartikel eine hohe Hürde für die derzeit in der Industrie installierten Robotersysteme darstellt. Weiter ist die Entwickelung von Robotersystemen und deren Integration sehr aufwendig und der industrielle Stand der Technik gleicht meist einem Patchwork von Ad-hoc-Lösungen. Hinzu kommt: Der Aufwand und die Kosten für die Integration beziehungsweise Rekonfiguration von Anlagen sind enorm und übertreffen bei Weitem die Kosten der eingesetzten Roboterkom­ponenten. Einer der Gründe hierfür ist der Aufwand für etablierte, langsame Programmiermethoden und für die nötige Präparation des Roboterarbeitsraumes und der Werkstückdarbietung, bevor Robotik und Automation überhaupt arbeiten können. Diese Barrieren haben zur Folge, dass derzeit nur etwa 25 % aller potenziellen
Anwendungen „roboterisiert“ werden.

Die technologischen Eckpfeiler

Eines der Kernziele von CustomPacker ist die Realisierung adaptiver Autonomie. Entsprechende Systeme sind in der Lage, Aufgaben, Prozesse und Systemeinstellungen selbstständig durchzuführen. Der Grad der Autonomie ist dabei nach einer Bewertung der Ist-Situation durch den Benutzer intuitiv steuerbar. Sind Prozesse und Modelle der Umwelt beziehungsweise des Roboterarbeitsraums klar definiert, kann das System auf höchsten Autonomie-Level betrieben werden. Bei unstrukturierten Umgebungen oder dynamischen Umgebungen ist menschliches Eingreifen zur Problemlösung möglich. Wesentliche Komponenten des autonomen Systemverhaltens bilden die Komponenten Szenenmodellierung des Arbeitsraumes und automatische Pfadplanung.

Was den Roboter selbst angeht, so muss dieser in der Lage sein, dem Werker gefühlvoll, rasch und sicher zur Hand zu gehen. Genau das ist das Spezialgebiet des Projektpartners FerRobotics. Das österreichische Unternehmen implementiert im CustomPacker seine intuitive,nachgiebige „Compliant Robotik Technologie“, die speziell für flexible Tätigkeiten im Kleinserienbereich und humanorientierten Umfeld entwickelt wurde. Zum Einsatz kommt hierbei der so genannte aktive Kontaktflansch als eigenaktives, sensitives Element. Die darauf aufbauenden Robotersysteme besitzen nahezu menschliches Kontakt­gefühl und sind bionisch dem menschlichen Funktionsprinzip nachempfunden. Im Projekt manipuliert ein solcher Roboter die empfindliche 50-kg-Last im vorgegebenen Zeitfenster von 45 Sekunden. Bei eventuellem Nachjustierbedarf greift der Werker direkt ein. Mit einer Reichweite von 1,5 m setzt der Roboter von Fer­Robotics den Flatscreen „butterweich“ auf – ohne Klemm- oder Quetschgefahr und der einfachen Möglichkeit einer Selbstbefreiung. Existierende Industrieroboter für solche Lasten stellen eine Gefahrenzone dar – der Aufenthalt von Personen in ihrem Umfeld ist strikt verboten.

Die Planung des Greifvorganges erfolgt auf der Grundlage einer Simulation. Anschließend wird automatisch der Programmcode generiert.

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Nicht nur der Roboter an sich, sondern auch die Stationen vor und nach dem Einpacken des Fernsehgerätes stehen im Fokus des Projektes. Auch hier sind durch den Einsatz modernster Technik eine rationellere Gestaltung des Produktionsprozesses und eine Senkung der Kosten möglich. Bisher erfolgt das Falten der zugehörigen Kartons zum Beispiel noch vollkommen manuell. In Zukunft könnte es zumindest teilweise automatisiert werden, ohne den Platzbedarf an der Linie nennenswert zu erhöhen. Hierfür kommt im Pilotprojekt der Roboter KR-5-SI der Firma MRK-Systeme zum Einsatz. Bei diesem handelt es sich um eine Modifikation eines Standard-Knickarmroboters (KR 5) von Kuka, der mit einer dämpfenden Schutzhülle überzogen ist. Daher ist es nicht mehr notwendig, den Arbeitsraum des Roboters zum Beispiel mittels eines Schutzzaunes strikt vom Menschen zu trennen.

Der Roboter wird zudem auf Basis der SafeOperation-Technik von Kuka in Bezug auf erlaubte Arbeitsräume und Geschwindigkeiten sicher überwacht und löst bei Kontakt mit Menschen einen Stopp der Kategorie 0 aus. Dies erfolgt über sicherheitsgerichtete, taktile Schaltelemente. Zusätzlich verfügt der Roboter über kapazitive Näherungssensoren, die bei Annäherung einer Person einen Stopp der Kategorie 2 auslösen, damit kein erneuter Programmstart nach Verlassen des überwachten Bereichs nötig ist und der Roboter automatisch seine begonnene Bewegung fortsetzen kann.

Arbeitsraumüberwachung für Mensch-Roboter-Interaktion

Werker beim Montageprozess – die Pose des Oberkörpers wird über das Tiefenbild erkannt und somit stehen Informationen über die Gelenk­winkel des Werkers zur Verfügung, welche sich unter anderem für die Klassifizierung der Aktivität heranziehen lassen.

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Das Thema Sicherheit ist demnach ein fundamentaler Eckpfeiler zur Umsetzung des CustomPacker-Projektes. In der Vergangenheit galt im Produktionsumfeld nach der Norm EN 775 eine strikte Trennung von Mensch und Maschine. Arbeitsstationen wurden dementsprechend entweder vollständig manuell oder vollständig automatisiert betrieben. Durch die neuen Normen DIN EN ISO 10218-1 Teil 1 und DIN EN ISO 10218-2 Teil 2 werden gezielt „sichere Roboter“ und Sicherheitsanforderungen an Robotersysteme und deren Integration angesprochen. Im kollaborierenden Betrieb sind laut Norm einige Anforderungen, wie beispielsweise eine reduzierte Geschwindigkeit von 250 mm/s, eine maximale dynamische Leistung von 80 W oder eine maximale statische Kraft von 150 Newton am Werkzeugarbeitspunkt (Tool Center Point – TCP) des Roboters zu erfüllen.Zusammengefasst: Auf Basis der neuen Normungssituation lässt sich ein „gleitender Automatisierungsgrad“ erreichen

Um eine solche sichere Mensch-Roboter-Kooperation zu ermöglichen, muss zum einen der Mensch im Arbeitsraum des Roboters detektiert und zum anderen anschließend lokalisiert werden. Hierzu können unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen: Mit Hilfe von Trittmatten lässt sich der gesamte Bereich einer Roboterzelle überwachen – sowohl in puncto Anwesenheit als auch hinsichtlich der exakten Position von Personen. Ein weiteres Verfahren zur Lokalisierung des Menschen ist mittels Laserscannern umsetzbar. In einer horizontalen Scan-Ebene können die Beine oder der Rumpf des Werkers sehr genau erfasst werden. Eine dritte Möglichkeit, den Arbeitsraum zu überwachen, sind Tiefenbildkameras, welche über der Roboterzelle angebracht sind. Aus der Vogelperspektive können diese Sensoren (Photonic Mixer Device-Kamera, Kinect-Sensor) das Eingriffsgebiet von Roboter und Mensch kontrollieren und so eine Unterscheidung zwischen Mensch und Roboter zulassen.

Neben einer neuen beziehungsweise modifizierten Hardware erfordert CustomPacker spezielle Softwarekomponenten. Um die Lage und die Orientierung der zu verpackenden TV-Geräte zu erkennen, streben die Beteiligten eine CAD-basierte 3D-Bildverarbeitungslösung an. Die im Handhabungsraum zu bearbeitenden Teile werden dabei mit einem aktiven 3D-Scanner (Laser-Profiling Sensor) erfasst und die 3D-Punktwolke in Objekte und Hindernisse eingeteilt. Dazu extrahiert eine 3D-Objekt-Erkennung die bekannten Objekte anhand vorab automatisch gelernter Punktsignaturen und bestimmt deren Position in sechs Freiheitsgraden. Die Daten über die vermessene Szene werden mit der CAD-Information über erkannte Objekte vervollständigt und der Hintergrund segmentiert, um Kollisionen beziehungsweise Erreichbarkeiten genauer und schneller berechnen zu können. Somit führt die Interpretation des Handhabungsraumes zu einer Modellierung der für den spezifischen Prozess relevanten Teile, die als Basis für die nachfolgende Bahnplanung des Handhabungsprozesses dient. Durch den CAD-basierten Ansatz lassen sich auch weitere, für den Folgeprozess wichtige Informationen zum erkannten Objekt – beim TV-Gerät zum Beispiel Greifpunkte oder auch Angaben zum Zubehör – extrahieren.

Hat die Bildverarbeitung das TV-Gerät erkannt, muss dieses schließlich vom Verpackungsroboter gegriffen und kollisionsfrei in den Verpackungskarton gehoben werden. Hierfür ist der Manipulationsplaner verantwortlich: Dabei wird auf Basis der erkannten Modelle und deren Meta-Information (Greifpunkte etc.) zusammen mit den vom Benutzer definierten prozessspezifischen Randbedingungen (zum Beispiel bevorzugte Manipulationsbewegungen) eine kollisionsfreie Roboterbewegung geplant, bei Bedarf simuliert und ausgeführt. Ist eine durchgängige Lösung gefunden, erfolgt eine automatische Generierung des Programmcodes, welcher anschließend in den Controller eingespielt und ausgeführt wird. Die Bahnplanung erfolgt auf der Grundlage etablierter Softwarebibliotheken.

Automatisierung mittels „Model based engineering“

Wie die bisherigen Ausführungen zeigen, umfasst CustomPacker viele Komponenten, die im Verbund zusammenarbeiten und so gestaltet sein sollen, dass das Verpackungssystem einfach und flexibel an neue Umgebungsbedingungen anpassbar ist. Aus diesem Grund soll ein neuer Ansatz für das Engineering zum Einsatz kommen, der verschiedene Spezifikations- und Modellierungsansätze (UML, CAD/CAM etc.) über ein Meta-Modell verknüpft. Ist die Spezifikation der Steuerungsapplikationen sowie die Definition der Ausführungsplattform abgeschlossen, so kann aus dieser vollständigen Beschreibung einer Anlage plattformspezifischer Code (etwa gemäß IEC 61131-3 oder IEC 61499) generiert werden, welcher zudem eine bessere Wiederverwendbarkeit von Automatisierungs- und Steuerungslösungen erlaubt.

Um den Werker bei der Arbeit optimal durch das System zu unterstützen, ist nicht zuletzt vorgesehen, auch dessen Aktivitäten zu erfassen. Diese Information ist nötig, um die richtige Konfiguration für den nächsten Arbeitsschritt vorzubereiten. Weiterhin ist damit eine begrenzte Möglichkeit zur Erkennung von Fehlern bei der Produktion möglich, wenn beispielsweise ein benötigter Arbeitsschritt nicht ausgeführt wurde. In einem solchen Fall könnte der Werker durch ein einfaches Signal darauf hingewiesen werden, den noch fehlenden Schritt nachträglich auszuführen. Eine mögliche Realisierung dieser Aktivitätserkennung kann durch Auswertung der Bewegungsmuster des Werkers erfolgen.

Hierzu wird der Arbeitsbereich mit Hilfe eines Kamerasystems erfasst und relevante Informationen aus den Bilddaten extrahiert. Zudem lässt sich dazu aktuelle Sensorik wie beispielsweise der Kinect-Sensor von Microsoft einsetzen. Dieser liefert synchronisierte Farb- und Tiefenbilder mit bis zu 30 Bildern pro Sekunde inklusive einer robusten Personendetektion und Posen­erkennung.

Autoren: Robert Behrndt ist Applikations­programmierer bei MRK-Systeme Augsburg.

Dr. Paolo Ferrara ist Mitgründer und Geschäftsführer von FerRobotics Compliant Robot Technology.

Dr. Andreas Pichler ist wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Firma Profactor, Steyr (Österreich).

Prof. Dr. Frank Wallhoff ist Professor für Assistive Technologien an der Jade Hochschule, Oldenburg.

Die Projektpartner

Das Projekt CustomPacker zur Verpackung variantenreicher elektronischer Großgeräten erfolgte auf Initiative der Technischen Universität München (TUM). Das Projekt hat eine Laufzeit von drei Jahren und ist ein Satellitenprojekt des Exzellenzclusters CoTeSys und wird im siebten Rahmenprogramm aus Mitteln der Europäischen Union gefördert. Weitere Partner sind die Firma MRK-Systeme aus Augsburg, Loewe aus Kronach, die österreichischen Firmen Profactor und FerRobotics aus Steyr beziehungsweise Linz sowie die Forschungsinstitute Fundacion Tekniker aus Spanien und Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus (VTT) aus Finnland.