Handhabungstechnik

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Roboter haben sich als flexibles Produktionsmittel bewährt und entlasten den Menschen von schwerer, gefährlicher oder monotoner Arbeit.
Die Leistung von Rechnern und Steuerungen, Fähigkeiten von Sensoren und Bildverarbeitung, Möglichkeiten der Kommunikations- und Netzwerktechnik haben innerhalb des letzten Jahrzehnts ein sehr hohes Niveau erreicht und bieten gemeinsam mit neuen Werkstoffen und der Mikrosystemtechnik die Chance, neue Erkenntnisse zur Gestaltung der Kommunikation zwischen Mensch und Maschine in moderne Robotersysteme umzusetzen. In Gesprächen mit Experten aus Industrie und Wissenschaft wurde hierfür der Forschungsbedarf für die Handhabungstechnik und speziell die Robotik diskutiert.

Vor allem folgende Trends der Robotik wurden erkannt:

Verbesserung der Leistungsparameter von Handhabungstechnik, z.B. des dynamischen Verhaltens durch neue Antriebe und neue kinematische Strukturen mit besserem Beschleunigungs- und Bremsverhalten bei hinreichender Positionier- und Wiederholgenauigkeit. Robuste mechatronische Standardmodule mit hoher Lebensdauer und Zuverlässigkeit im Dauereinsatz, gepaart mit einfacher Wartung und Instandhaltung senken die Kosten und steigern die Verfügbarkeit von Robotersystemen.

Integration von Mechanik, Steuerung, Software, Sensorik und Aktorik in neue mechatronische Systeme für die Handhabungstechnik, z.B. die Einbeziehung verschiedener Sensoren für „Sinne“ wie Tasten, Hören, Sehen – und dies von einfachen Sensoren bis hin zu Echtzeit-Bildverarbeitungssystemen. Das Verbundprojekt PAPAS befasste sich mit neuen Konzepten für Antriebe, Datenübertragung für Robotersysteme und Roboterleichtbau.

Bildverarbeitung als Grundlage verlässlicher Handhabungstechnik

Zahlreiche komplexe Fertigungsabläufe und Sortier- oder Prüfvorgänge verlangen mehr als ein Kamerabild. Insbesondere wenn 3D-Informationen erforderlich sind, erfüllen bisherige Möglichkeiten der Sensorik die Erwartungen nicht, da dafür heute sehr teure, langsame oder große und damit meist nur stationär verwendbare Laserscan-Systeme eingesetzt werden. Außerdem ist die Einbindung von Bildverarbeitungssystemen in ein Robotersystem oder eine Produktionsanlage wegen zahlreicher Anpassungsarbeiten sehr aufwendig.

Aus dem Wettbewerb „Anwendung optischer Technologien in der Produktion“ stammen zwei Projekte, die sich seit Herbst 2001 des Themas Bildverarbeitung in Robotersystemen angenommen haben: die Verbundprojekte ParaForm und ARIKT.
Aus dem Verbundprojekt ARIKT ist der Industriestandard XIRP entstanden, eine neue offene Schnittstelle für die Kommunikation zwischen Roboter und Bildverarbeitung sowie weiterer Perpheriebausteinen in Robotersystemen.
Auf Basis eines neuartigen Messverfahrens wurde im Verbundprojekt ParaForm eine einäugige 3D-Kamera entwickelt.

Interaktion zwischen Mensch und Handhabungstechnik, intuitive Programmierung

Eine weitere Verbreitung der Handhabungstechnik ist zu erwarten, wenn auch Benutzer mit geringerer Einstiegsqualifikation Handhabungstechnik für verschiedene Aufgaben sicher beherrschen können, wenn direkte Wege von der CAD-Werkstückbeschreibung zu Handhabungsabläufen und der Zugriff auf Prozessdaten und die Simulation von Bewegungsabläufen auch für vernetzte Handhabungssysteme bzw. kooperierende Handhabungstechnik unterstützt werden, oder gar anspruchsvolle Teilaufgaben nach kurzen Befehlen weitgehend selbständig durch Handhabungsgeräte als „Produktionsassistenten“ gelöst werden. Das Verbundprojekt IROPROG erleichtert mit mehreren Entwicklungen die Programmierung und Kalibrierung von Robotern.

Nähe von Mensch und Maschine: Anforderungen für Arbeitsschutz und Verlässlichkeit

Generell wird die Handhabungstechnik funktional und räumlich künftig viel näher beim Menschen arbeiten als bisher, deshalb muss sie verlässlich sein. Dazu gehören unbedingte Sicherheit vor Verletzung der Benutzer, funktionale Zuverlässigkeit und Fehler vermeidende Interaktion zwischen Menschen und Maschinen. Diese Verlässlichkeit ist die eigentliche Herausforderung beim wirtschaftlichen Einsatz neuer Handhabungstechnik.
Daher müssen unbeabsichtigte Berührungen ausgeschlossen sowie Arbeitsschutz und Zuverlässigkeit auch unter extremen Bedingungen gewährleistet sein, womöglich bis hin zu einer integrierten Verlässlichkeit.
Mensch und Roboter werden in Zukunft räumlich enger zusammenarbeiten. Mehrere der Robotikprojekte im BMBF-Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von morgen“ befassen sich daher mit der Verlässlichkeit von Robotern und mit Robotik ohne trennende Schutzsysteme, sowie mit Bildverarbeitungssystemen, Schnittstellendefinitionen und vereinfachten Programmiersystemen. Die erreichten Ergebnisse wurden in Demonstratoren integriert.
Das Projekt koSePro hat die Kooperation zwischen Roboter und dem Menschen mit einer nachgiebigen, adaptiv positionsgeregelten Roboterhand, einer industriell einsetzbaren, wirtschaftlichen, berührungsempfindlichen Roboterhaut und einem neuen überlagerten zweistufigen Sicherheitskonzept verbessert. Für wichtige Elemente des Sicherheitskonzepts wurden bereits Patente angemeldet.

Ortsflexible Roboter

Im Projekt ASSISTOR wurde der Einsatz assistierender, interaktiver Manipulatoren untersucht. Es handelt sich hierbei um Handhabungssysteme, mit denen der Mensch in direkter physischer Interaktion arbeitet. Hauptarbeitsgebiete im Projekt ASSISTOR waren die Ermittlung geeigneter Arbeitsweisen und Interaktionsformen zwischen Menschen und Robotern und die Gewährleistung einer gefahrlosen Zusammenarbeit durch die Entwicklung von Sensor-, Steuerungs- und Hardwarekonzepten und die Entwicklung von Funktionsmustern für die Demonstratoren.
Im Projekt Porthos wurde ein portables Robotersystems zur Bestückung von Werkzeugmaschinen entwickelt. Auf einfache Weise kann dieses System in verschiedenen Bearbeitungszellen eingesetzt werden und sich automatisch durch Sensorik an seine neue Umgebung anpassen. Die Programmierung der Bearbeitungsaufgabe erfolgt in der Werkstatt mit Hilfe eines neuartigen Eingabegerätes. Der Gefahrenbereich wird mittels Sensoren überwacht, d.h. es sind keine Schutzzäune an der Maschine mehr notwendig. Für die Handhabungstechnik liefert dieses Projekt praxisbezogen neue Ansätze in der Flexibilität, der Integrationstiefe und in der Bedienerfreundlichkeit. Es macht roboterbasierte Automatisierung für einen größeren Anwenderkreis realistisch zugänglich.
Für die flexible Bearbeitung KMU-typischer Fertigungsprozesse wurde im Projekt ROBOTOOL ein Automatisierungskonzept auf Basis von Robotern entwickelt, das eine automatische Programmierung aus rein fertigungstechnologischen Vorgaben erlaubt und eine effektive Kommunikation und Interaktion zwischen Werker und Robotersystemen ermöglicht. Entwickelt wurde ein ortsflexibles und damit mobiles Robotersystem mit umfassender Programmierunterstützung, dessen Einsatzort von kleinen und mittleren Unternehmen optimiert werden kann.
Im Projekt KomoRob wurde ein Service-Roboter zur Vor-Ort-Instandsetzung von Tiefzieh- und Spritzgusswerkzeugen entwickelt. Grundlage hierfür ist die enge Verknüpfung von Robotik mit Sensorik zum autonomen Erfassen der Arbeitsumgebung sowie der aktuellen Werkzeuggeometrie, kognitionsorientierter Festlegung von Instandsetzungsstrategien, Prozesstechnik zur Instandsetzung und deren Integration in die Anwendung. Ein portabler und für eine schnelle Montage geeigneter Aufbau des Gesamtsystems gewährleistet mit einem Vor-Ort-Einsatz ein Höchstmaß an Flexibilität sowie technologischer und ökonomischer Wettbewerbsfähigkeit.

Einsatz von Handhabungstechnik in neuen Feldern

Weiterentwicklungen der Robotik allein hätten nur begrenzten Nutzen, wenn sie nicht zu einer Leistungserhöhung von Gesamtprozessen führen würden, etwa durch Neugestaltung ganzer Prozessketten einschließlich produktionsnaher Dienstleistungen, gerade auch für häufig wechselnde Produktvarianten oder für die Mikro- oder Nanofertigung. Exemplarisch wird dies in fünf völlig unterschiedlichen Produktionsbereichen untersucht:
Mikrohandhabung ermöglicht mit intelligenten Komponenten einfache, aber hocheffiziente Handhabungs- und Montagesysteme, EPO befasste sich mit automatisierten Programmiersystemen für Roboter und ihrer exemplarischen Anwendung von automatischen Schleifprozessen für hochwertige Armaturenoberflächen, BioHandling steht für ein System zur Handhabung biologischer Substanzen unter Reinraumbedingungen, MOPRUM widmete sich dem Einsatz von Robotersystemen in schwieriger Umgebung wie zum Beispiel bei Schmiedeprozessen und KomRob stellte sich der Aufgabe, ein Baukastensystem für den Kommissionierbereich in logistischen Anlagen zu entwerfen und prototypisch zu realisieren.
Das Verbundprojekt GENESYS (Themenfeld „Wandelbare Logistiksysteme“) brachte ein universelles hochflexibles roboter- und sensorunterstütztes Entladesystem zur Handhabung und Manipulation von Gepäckstücken hervor. Hierzu gehören ein leistungsfähiges Sensorsystem zur dreidimensionalen Erfassung von Objekten in ihrer Gestalt, Lage und gegenseitigen Lageabhängigkeiten, ein Verfahren zur Erkennung von Verklemmungen und deren Auflösung sowie neuartige Sauggreiferkonzepte zur Handhabung von Objekten nicht vordefinierter Form, Größe und Festigkeit.

Leitinnovation Servicerobotik

Die Fördermaßnahme „Leitinnovation Servicerobotik“ initierte eine deutliche FuE-Anstrengung in Richtung der Alltagstauglichkeit von Servicerobotik. Im Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von Morgen“ interessieren dabei wirtschaftlich einsetzbare Assistenzroboter in der Produktion.
Neben den bereits oben genannten Projekten ROBOTOOL, KomoRob und KoSePro gehörten hierzu auch die Projekt CheckMATE und LISA.
CHeCKMATE ist ein Serviceroboter, der innerhalb einer Fertigungsinsel der Klein- und Mittelserienfertigung in Arbeitsteilung mit dem Werker periodisch anfallende Arbeiten (Pressenreinigung) bzw. monotone Arbeiten in hohem Takt, die ein großes Maß an Objektivität und steter Aufmerksamkeit erfordern (visuelle Qualitätskontrolle gefertigter Artikel, Werkzeuge und Überwachung von Prozesszuständen) übernimmt. Die klassische Rolle des Werkers verändert sich durch die Einbindung solcher Roboter. Er wird sich mehr auf die Prozessüberwachung einer oder mehrerer Zellen konzentrieren können.
LISA ist ein mobiler, alltagstauglicher Assistenzroboter, der in Laboren von Life-Science-Unternehmen mit Labormitarbeitern interagiert und Routineaufgaben selbständig übernimmt. Das Assistenzsystem ist in der Lage, zeitliche Abläufe zu überwachen und notwendige Handlungen auszuführen. Dies führt zu einer Arbeitsoptimierung und zur verbesserten Reproduzierbarkeit der Versuchsdurchführung.

Weitere Robotikanwendungen finden sich in den Themenfeldern „Wandelbare Produktionssysteme“ und KMU-Innovativ.

Stand: Februar 2011