Recherchieren, Einkaufen, Kontakte knüpfen, Werbung und Vertrieb - das Internet ist aus unserem Alltag längst nicht mehr wegzudenken. Mit dem „Internet der Dinge" wird die digitale Vernetzung auf die reale Welt ausgedehnt. Technologisch ist es heute bereits möglich, Komponenten der Informations- und Kommunikationstechnik - auch ergänzt um Sensorik/ Aktorik - in nahezu beliebige Alltagsgegenstände zu integrieren. Waren und Güter werden so mit Intelligenz ausgestattet und via Internet in den weltweiten Datenaustausch einbezogen. Erweitert wird dieses Paradigma in einem zukünftigen Internet der Dinge um den Begriff der Autonomie.

Das heißt: Abhängig von Situation und Umgebungsparametern werden intelligente Objekte (smart objects) in der Lage sein, eigenständig zu handeln, sich mit anderen Objekten und Systemen zu vernetzen und Interaktionen mit Nutzern intelligent zu unterstützen. Kurzum: Die virtuelle Welt des Internet wird mit der realen Welt verheiratet. Oder anders ausgedrückt: Objekte des Internet erhalten gewissermaßen Arme, Beine und Sinnesorgane. Die Fähigkeit zur Wahrnehmung, Auswertung und Interpretation der Umgebung benötigt unter anderem Technologien aus den Bereichen 3D-Objekterkennung, Lokalisierung, Identifizierung, Kommunikation und Mensch-Maschine- Schnittstelle.

Die technischen Module dafür sind in der Regel miniaturisiert, höchst zuverlässig, (zunehmend) drahtlos vernetzt und energetisch autonom. Funktions- und leistungsbestimmende Hardwarekomponenten autonomer Systeme sind NFCs/RFIDs, multimodale, vernetzbare Sensorik und „embedded systems" respektive pervasive Computer zur Bereitstellung von „Intelligenz vor Ort". Die für sensorische Funktionen, die Verarbeitung von Daten und für Aktionen erforderliche Energie wird im Idealfall aus der Umgebung gewonnen - Stichwort „energy harvesting".

Weitere Technologie-Entwicklungen mit hoher Bedeutung für die Autonomik sind echtzeitfähige Fertigungs-, Steuerungs- und Simulationstechnik sowie produktintegrierte, funktionale Sicherheit, die die Zuverlässigkeit des Systems und eine definierte, geschützte Datenverarbeitung gewährleisten.

Hybride Mensch-Maschine-Teams

Im Sinne der autonomen Vernetzung übertragen Roboter beispielsweise Daten an einen zentralen Rechner, der wiederum die Daten sammelt und mit einer Projektdatenbank abgleicht. So können die Maschinen Situationen erkennen, sich wechselnden Einsatzbedingungen anpassen und mit anderen Nutzern und Objekten interagieren.

© Isra Vision

Erste Einsatzmöglichkeiten der Autonomik sind in eng beschriebenen und hochgradig standardisierten Umgebungen der industriellen Fertigungsautomation bereits realisiert - zum Beispiel im Umfeld von Schweißrobotern oder auch bei Robotern in Fertigungsstraßen. In absehbarer Zeit werden diese Einsatzmöglichkeiten auf solche in unbekannten und dynamischen Umgebungen ausgedehnt werden. Beispielsweise führen Service-Roboter gefährliche Aufgaben beziehungsweise Inspektionen von Anlagen eigenständig durch oder übernehmen in der Einzelfertigung die Rolle des „Werkbank-Assistenten".

Autonomik ermöglicht damit beispielsweise die kooperative Bearbeitung von Aufgaben in hybriden Mensch-Maschine-Teams. Intelligente Werkstücke werden zudem in der Lage sein, Fertigungsmittel selbst zu steuern und den eigenen Fertigungsstand sowie mögliche Fehler an die Planungsinstanz zu übermitteln. Nicht zuletzt werden sich produktionslogistische Prozesse - selbst in unternehmensübergreifenden Netzwerken - autonom steuern. Die Kombination der genannten Einzeldisziplinen resultiert schließlich in mechatronischen Funktionsmodulen. Mehrere solcher gekoppelter Module bilden autonome mechatronische Produktionssysteme, die ebenfalls vernetzbar sind.

Bei einem derart aufgebauten Gesamtsystem lässt sich auf jeder Stufe die regelnde Informationsverarbeitung durch eine selbstoptimierende Informationsverarbeitung ergänzen und damit „intelligent" gestalten. Mit anderen Worten: Das Verhalten des Gesamt-Produktionssystems wird durch die Kommunikation und Kooperation der verteilten, autonomen Systeme geprägt. Daher bedeutet Selbstoptimierung eines Produktionssystems die selbstständige Anpassung der Systemziele an sich verändernde, äußere Einflüsse der Produktion.

Das Projekt viEMA

Bei dem Projekt viEMA soll ein Roboter unter anderem bei Stückzahl-Hochlauf in der Produktion den Menschen kurzfristig ablösen. Das Besondere: Beherrscht der Roboter den Arbeitsablauf noch nicht, kann ein einfacher Arbeiter das intelligente Montagesystem einlernen.

© Asja Schubert

Eines der zwölf Teilprojekte im Rahmen von Autonomik ist „viEMA" - vernetzte, informationsbasierte Einlern- und Ausführungsstrategien für autonome Montage-Arbeitsabläufe (www.viema.org). Ziel von viEMA ist es, ein skalierbares, roboter- und sensorgestütztes Montagekonzept zu entwickeln, welches sich besonders für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) eignet. Denn durch den Trend zu immer kundenspezifi scheren Produkten - zig Varianten und Möglichkeiten ein und desselben Produktes, je nach Hersteller- und Kundenwunsch - müssen Montage- Einrichtungen immer flexibler arbeiten können.

Klassische Automatisierungslösung erweisen sich bei Tätigkeiten wie Bestücken oder Verpacken aufgrund der geringen beziehungsweise wechselnden Stückzahlen zunehmend als unrentabel. Mit anderen Worten: Will ein Unternehmen wirtschaftlich produzieren, braucht es ein System, das je nach Bedarf zwischen Hand- und Automatenmontage wechseln kann. Führt man zu Beginn eines Produktanlaufs die Montage noch manuell durch, verrichtet bei erhöhter Stückzahl ein flexibler Montageroboter automatisiert den Montageprozess. Verringert sich die Stückzahl aufgrund sinkender Nachfrage, wechselt die Produktion erneut auf die Montage am Handplatz und der Roboter ist für andere Montage-Arbeiten einsetzbar.

Genau hier setzt das Forschungsprojekt viEMA an, indem es ein skalierbares Montagekonzept verfolgt, das bei Stückzahl-Hochlauf eine flexible Handlingzelle an Handarbeitsplätze andockt und somit die Ausbringung erhöht. Wobei am Handplatz nur geringfügige Anpassungen durchgeführt werden, sodass bei Stückzahlrückgang der Werker die Montage von kleineren Fertigungsaufträgen übernehmen kann. Für diese flexiblen Montagezellen gilt es, gezielt Einlern- und Ausführungsstrategien zu entwickeln. Der Montageroboter lernt also, Werkstücke eigenständig zu erkennen, von einer Ablage zu greifen und an einer anderen Stelle einzufügen. Hierzu ist der Roboter mit einer Objekt- und Skill-Datenbank versehen, die ihm für die verschiedenartigsten Prozesse Orientierungshilfe bietet.

Jeder Roboter kann somit nicht nur autonom arbeiten, sondern auch selbstständig Informationen aus Datenbanken beziehungsweise anderen Montagesystemen über die Netzwerk- und Internet-Anbindung abrufen, über die auch Ferndiagnose und Fernwartung erfolgen. Das Besondere am Projekt viEMA ist, dass der Montageroboter außerdem lernfähig ist. Ein Montage-Arbeiter zeigt dem Roboter neue Prozesse, die dieser - einmal erlernt - autonom durchführen kann. Die Konsortialführung liegt beim Forschungszentrum Informatik an der Universität Karlsruhe (FZI); weitere Konsortialpartner sind die Firmen Faude Produktionsanlagen, Isra Vision, Robert Bosch sowie die Technische Universität München.

Das Programm Autonomik

Für das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderte Forschungsvorhaben „Autonomik - Autonome und simu lationsbasierte Systeme für den Mittelstand" haben sich in einem bundes weiten Wettbewerb zwölf Projekte für eine Förderung qualifi ziert.

Im Vordergrund stehen Anwendungen im Logistik- und Produktionsbereich sowie in der Service-Robotik. Ein zusätzlicher Schwerpunkt ist das Projekt RAN (RFID-based Automotive Network) zur Optimierung und notwendigen Standardisierung von Logistikprozessen für die gesamte Automobilbranche auf Basis modernster RFID-Technologien. Insgesamt wirken rund 80 Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen an Autonomik mit.

Einschließlich des Eigenanteils der Partner wird ein FuE-Investitionsvolumen von etwa 80 Mio. Euro mobilisiert. Im Ergebnis sollen bis Mitte 2013 Referenzmodelle und Demonstratoren entstehen, welche die Machbarkeit und den wirtschaftlichen Nutzen in den verschiedenen Anwendungsbereichen nachweisen.

Nähere Informationen: www.autonomik.de

viEMA – kein Einzelfall

In den letzten Jahren wurden einige zum viEMA-Projekt verwandte Projekte im Rahmen von öffentlichen Förderprogrammen durchgeführt. Allen gemeinsam ist das Ziel, Robotikanwendungen sowohl in neuen Applikationen zu etablieren als auch den Einsatz von Robotern flexibler und universeller zu gestalten - gerade im direkten Umgang mit Menschen. Hierbei spielen in der Regel solche Anwendungen eine große Rolle, in denen mit den aktuell verfügbaren Systemen kein wirtschaftlicher Einsatz möglich ist.

So beschäftigt sich etwa das Projekt SMErobot mit grundlegend neuen Automatisierungslösungen. Diese basieren auf einer neuen Generation von Industrierobotersystemen, die gleitende Automatisierungsgrade bei niedrigen Lebenszyklus- Kosten in unterschiedlichen Anwendungen erlauben. Neue Geschäftsmodelle sollen zudem Optionen zur Finanzierung und zum Betrieb von Automatisierungslösungen bei variabler oder unsicherer Stückzahl, kurzer Produktlebensdauer und einfacher Qualifizierung des Personals schaffen. Im Projekt RoboTOOL werden Technologien und Systeme zur Verfügung gestellt, die es erlauben, Industrieroboter in der Fertigung als universell einsetzbares „Werkzeug" nach Bedarf an wechselnden Orten zur Durchführung von Arbeitsaufgaben zu nutzen.

Roboter sollen standortoptimiert einsetzbar sein und sich dabei als „Fertigungsassistenten" interaktiv mit dem Werker durch effiziente Kommunikationstechniken verstehen können, ihn bei seiner Arbeit unterstützen und auf diese Weise eine temporäre Automatisierung von Fertigungsaufgaben und eine optimale Auslastung der Fertigungstechnik ermöglichen. Angestrebt wird ein flexibler Einsatz der neuartigen Technik für punkt-, bahn- und flächenorientierte Bearbeitungsprozesse wie Schweißen, Schneiden oder Beschichten.

Schwerpunkte des Projektes DESIRE sind methodische Grundlagen der Servicerobotik und ihre Anwendungen im Alltag. Ziel der Forschung ist es, den Technologiesprung in Richtung alltagstauglicher Schlüsselfunktionen und -komponenten zu forcieren, die Schaffung einer Referenz-Architektur sowie die Konvergenz der Technologien über eine Technologieplattform zu ermöglichen. Das Projekt adressiert wissenschaftliche Querschnittsthemen wie Architektur, Modelle und Ontologien, Mechatronik, Manipulation, Wahrnehmung sowie Interaktion.

Autor: Alfons Botthof ist stellvertretender Leiter des Bereichs Gesellschaft und Wirtschaft bei VDI/VDE Innovation + Technik und Leiter der Begleitforschung zu Autonomik.