Mehr aus dem Roboter holen

Industrie 4.0

Das Fraunhofer IPA entwickelt Software, um den Automatisierungsgrad zu erhöhen.

Mittelständische Unternehmen nutzen das Potenzial, das im Einsatz von Robotern steckt, bislang nur selten aus. Dies gilt insbesondere für Montageprozesse mit ihren spezifischen Anforderungen wie kleinen Losgrößen, vielen Produktvarianten und kurzen Taktzeiten. Ein weiterer Grund für die oft noch manuelle Montage: Die Programmierung von Robotern ist vergleichsweise komplex und es bedarf oft externer Fachleute, um sie einzurichten. „In Zeiten intuitiv bedienbarer Smartphones und Tablets ist eine solch kostenintensive und aufwendige Roboterprogrammierung nicht mehr angemessen“, findet Martin Naumann, Gruppenleiter am Fraunhofer IPA.

Mit ein paar Klicks zum Roboterprogramm

Der Forscher vom Fraunhofer IPA hat deshalb zusammen mit seinen Kollegen die Software Drag&Bot entwickelt, die den Programmieraufwand auf ein Minimum reduziert. Der Clou: Drag&Bot liefert fertige Programmbausteine, die sich über eine grafische Bedienoberfläche schnell und intuitiv zu komplexen Roboterapplikationen zusammenfügen lassen. Zu diesen Programmbausteinen gehören beispielsweise Funktionen wie das Lokalisieren eines Werkstücks, eine Roboterbewegung oder das Schließen des Greifers.

Bedienhilfen, sogenannte Wizards, für die Positionierung des Roboters. Foto: Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Zusätzlich vereinfachen Bedien- und Eingabehilfen, sogenannte Wizards, die Parametrisierung der Bausteine. „Damit ist kein Expertenwissen mehr nötig, um Roboter verschiedener Hersteller umzuprogrammieren“, stellt Naumann heraus. Außerdem unterstützen die Wizards bei der Parametrisierung des Programmablaufs. So ist beispielsweise die Positionseingabe schnell erledigt: Der Bediener führt den Roboterarm mit der Hand an die gewünschte Stelle und lässt den Wizard die Koordinaten ermitteln und abspeichern. Außerdem helfen die Wizards bei der Parameterdefinition mithilfe der Bildverarbeitung: Über eine Kamera wird beispielsweise ein Schraubloch lokalisiert und dessen Position automatisch übernommen. Mit einem Klick auf die entsprechende Stelle legt der Nutzer fest, wo der Roboter später sein Schraubwerkzeug ansetzen soll.

„Damit ist kein Expertenwissen mehr nötig, um Roboter verschiedener Hersteller umzuprogrammieren.“, Martin Naumann, Gruppen­leiter am Fraunhofer IPA

Über die Cloud lässt sich Drag&Bot firmenintern mit beliebig vielen Robotern vernetzen. „Damit ist es möglich, nicht nur einzelne Programmbausteine, sondern ganze Programme mehrfach zu nutzen“, erklärt Naumann. Dabei spielt es keine Rolle, wenn innerhalb eines Unternehmens Roboter verschiedener Hersteller zum Einsatz kommen sollten. Denn Drag&Bot ist herstellerunabhängig und unterstützt derzeit die vier Hersteller Kuka, Denso, Fanuc und Universal Robots. Auch vonseiten der Hardware, seien es Greifer, Schraubwerkzeuge, Nietpistole oder Kamera, ist Drag&Bot offen für die Produkte verschiedener Hersteller.

Automatisiert nieten, schrauben oder klipsen

In Drag&Bot sind bereits mehrere Softwarelösungen des Fraunhofer IPA integriert und lassen sich somit einfach anwenden. Dazu gehört auch die Softwarelösung Pitasc für kraftgeregelte Montageprozesse. Sie ermöglicht, bisher manuell ausgeführte Prozesse, etwa das Montieren von Schaltschränken, wirtschaftlich sinnvoll zu automatisieren.

Die Methode basiert auf dem „constraint-based robot programming“, dem bedingungsbasierten Roboterprogrammieren. Grundidee ist, dass dem Robotersystem die Bahn nicht mehr im Vorfeld vorgegeben wird, sondern der Algorithmus diese zur Laufzeit in kürzesten Etappen und ohne Leerlauf berechnet. Hierfür werden der Prozess, Werkstück- und Prozessparameter, wie unter anderem die Maße des Werkstücks oder die für die Montage nötigen Kräfte des Roboters, zunächst in allgemeiner Form modelliert. Die Montageaufgabe liegt dann als Abfolge von Prozessbausteinen vor. Durch Zuweisung variantenspezifischer Werte und mithilfe aktueller Sensordaten wie Kontaktkräften, Abständen oder Objekterkennung berechnet das System entsprechend seiner Kinematik selbst, wie es sich bewegen muss, und arbeitet die Prozessbausteine als eine Folge von Aufgaben ab. Für die Qualitätssicherung kommen Methoden des maschinellen Lernens zum Einsatz: Kraft- und Positionswerte werden regelmäßig geprüft, um das Nominalverhalten zu bestimmen und schnell auf potenzielle Fehler reagieren zu können.

Je nach Prozessanforderungen ist Drag&Bot modular erweiterbar. Foto: Fraunhofer IPA/Rainer Bez

Die Software ist innovativ, weil die einmal modellierte Aufgabe auf neue Werkstückvarianten, andere Robotertypen und auf Roboter anderer Hersteller übertragbar ist. Zudem ist sie ähnlich einem Baukastensystem strukturiert: Sie enthält viele fertig einsetzbare und wiederverwendbare Programmbausteine, die Systemintegratoren bei der Einrichtung eines Robotersystems individuell zusammenstellen und direkt einsetzen können.

Automatisierungslösungen per App planen

Das Fraunhofer IPA bietet außerdem eine neue App, die für die bereits vielfach eingesetzte Automatisierungs-Potenzialanalyse (APA) entwickelt wurde. Mithilfe der APA ermitteln die IPA-Experten Prozesse, die sich technisch und wirtschaftlich für eine Automatisierung eignen, und Unternehmen erhalten Entscheiderwissen. So lassen sich „Quick wins“ systematisch erschließen und darauf aufbauend Konzepte erstellen und umsetzen. Mit der App läuft die APA nicht nur schneller ab, sondern sie bietet auch eine Datenbasis, die zum Beispiel den Vergleich einer neu geplanten Lösung mit einer bereits realisierten erlaubt. Dies vereinfacht den Planungsprozess.

Autor: Dr. Karin Röhricht

Aufmacher: Fraunhofer IPA/Rainer Bez