Roboter Kooperierende Roboter bilden Basis für die Teamarbeit

Das Programmieren kooperierender Robotersysteme ist besonders komplex und das Teachen solcher Robotergruppen sehr zeitaufwendig. Mit roboterzentrierten und prozesszentrierten Ansätzen zur Programmierung soll die Bewegungsvorgabe zu einem gewissen Grad automatisiert erzeugt werden.

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Technische Hochschule Darmstadt

Der Begriff kooperierende Robotersysteme hat je nach Betrachtung eine unterschiedliche Bedeutung. Im Bereich mobiler serviceorientierter Systeme versteht man unter kooperierenden Systemen einen Verbund unabhängiger Roboter, die gemeinsam ein Problem lösen, wobei die Kommunikation, Koordination und gegenseitige Unterstützung bei der Auswertung von Sensorinformation im Vordergrund steht. Kooperation im industriellen Umfeld bedeutet die gemeinsame Durchführung einer Bearbeitungsaufgabe mit mehr als einem Robotersystem (Bild 1).

Teach-in-Programmierung ist sehr zeitintensiv

Im Folgenden geht es um die Programmierung von industriellen Robotersystemen. Deren Einsatz ist motiviert durch mögliche Produktivitätssteigerungen. Ein typisches Beispiel stellt eine kooperative Aufgabe mit zwei Robotersystemen dar, wobei ein Roboter das Werkstück hält und es bereits transportiert, während der andere es bearbeitet (Bild 2). Dadurch wird die Zykluszeit einer Bearbeitung reduziert. Einen weiteren und nicht unwesentichen Aspekt stellt die Möglichkeit dar, durch kooperierende Roboter mehr Arbeitsprozesse zu bewältigen und somit für die gleiche Leistung weniger Fertigungsfläche zu benötigen.

In der Diskussion zu diesem Trend ist die Programmierung für kooperierende Roboter bisher zu kurz gekommen, obwohl erste Konzepte zur Unterstützung für Bediener bereits entwickelt wurden. Denn für den Bediener stellt es sich als sehr komplexe Aufgabe dar, mit Hilfe eines Programmierhandgerätes im so genannten Teach-in-Betrieb solche Systeme zu programmieren.

Es gibt zwar Lösungen, die es ermöglichen, eine Robotergruppe und das gleichzeitige Verfahren mehrerer kooperierender Roboter über ein gemeinsames Bediengerät zu steuern. Die Synchronisierung der Roboter aber bleibt ein schwieriges Unterfangen und der Test und die Feinabstimmung sind sehr zeitintensiv. Daher macht es Sinn, die Bewegungsvorgabe zu einem gewissen Grad automatisiert zu erzeugen.

Automobilindustrie treibt Projekte mit kooperierenden Robotern voran

Derzeitige Initiativen, die solche Techniken vorantreiben, kommen in erster Linie aus der Automobilindustrie. So hat Daimler-Chrysler mit dem Projekt Kooperierende Roboter (KIR) erste erfolgreiche Schritte in die Implementierung dieser innovativen Produktionstechnik für eine Punktschweißaufgabe unternommen. Solche Aufgaben sind charakterisiert durch sogenannte Punkt-zu-Punkt-(PTP-)Bewegungen, deren Ausprägung zwischen programmierten Punkten nicht weiter festgelegt ist.

Einige Roboterhersteller haben bereits Lösungen für solche Aufgaben entwickelt. Dabei wird in der Regel ein Master-Slave-Verfahren eingesetzt. Ein Roboter (der Master) gilt als Hauptroboter, an dem sich die weiteren beteiligten Roboter orientieren. Solche Verfahren sind somit durch einen roboterzentrierten Lösungsansatz gekennzeichnet.

Betrachtet man bahnorientierte Aufgaben, wie Bahnschweißen, Klebeauftrag oder Nahtabdichten, so stoßen roboterzentrierte Ansätze an ihre Grenzen. Idealerweise betrachtet man insbesondere solche Anwendungen prozesszentriert, das heißt eine Bearbeitungsaufgabe wird über ein Werkstück definiert. Prozessbeschreibungen durch Geometrie- und Technologiedaten sowie eine möglicherweise gleichzeitige Bewegung des Werkstücks werden roboterunabhängig festgelegt.

Sind diese Vorgaben definiert, so kann in einem zweiten Schritt diese Aufgabe auf die beteiligten Systeme und deren Freiheitsgrade optimal verteilt werden. Setzt man bei einzelnen Robotern in der Regel analytische Verfahren zur Vorwärts- und Rückwärtstransformation (Abbildung von Gelenkkoordinaten in kartesische Koordinaten des TCP’s und umgekehrt) ein, so muss man bei kooperierenden Systemen auf numerische Lösungsmethoden zurückgreifen.

Bedingungen für kooperierende Roboter über geschlossene kinematische Ketten modelliert

Die Kooperationsbedingungen werden über geschlossene kinematische Ketten modelliert (Bild 3) und in Form von Gleichungen und gegebenenfalls Ungleichungen dargestellt. Zudem definiert eine so genannte virtuelle Kinematik das Bearbeiten in Vorzugslage. Der Begriff virtuell deutet an, dass diese Kinematik nicht in der Realität existiert, jedoch eine Möglichkeit darstellt, Vorzugslagen zu modellieren.

Diese virtuelle Kinematik definiert die Bewegung des Werkstücks. Mit diesem Ansatz ist man zudem in der Lage, Toleranzen zwischen den beteiligten Robotern und dem Werkstück zu modellieren.

Zur Lösung können Optimierungsverfahren oder Lösungsverfahren für lineare Gleichungssysteme (zum Beispiel Singulärwertzerlegung) herangezogen werden. Aus Sicht der Anwender von prozesszentrierten kooperierenden Systemen sind folgende Anforderungen von besonderer Bedeutung:

• Prozessbedingungen müssen sichergestellt werden (beispielsweise Schweißen in Wannenlage).
• Prozesstoleranzen müssen ermöglicht werden (zum Beispiel Schwei-ßen in Wannenlage erlaubt ein Abweichen von der Bahnorientierung in bestimmten Grenzen).
• Kinematisch bedingte Zwangslagen (beispielsweise Singularitäten und Überschreiten von Gelenkwinkelgrenzen) müssen vermieden werden.
• Einzelne Achsen können priorisiert werden (zum Beispiel Handachsen).
• Das Verfahren ist unabhängig von der kinematischen Struktur und der Anzahl der beteiligten Roboter.

Die beiden ersten Anforderungen stellen die Prozesszentrierung heraus, die mit roboterzentrierten Ansätzen nicht oder nur unzureichend realisiert werden können. Grundlegende Arbeiten für solche prozesszentrierten Verfahren wurden bereits Ende der 80er Jahre am IPK Berlin entwickelt und in letzter Zeit an den Hochschulen Magdeburg und Darmstadt weiter verfeinert und entsprechende Implementierungen entwickelt.

Die Hochschule Darmstadt hat diese Implementierung prototypisch in das Simulationssystem Easyrob der gleichnamigen Firma integriert und beispielhafte Anwendungen mit bis zu vier kooperierenden Robotersystemen auf der diesjährigen Fachmesse Automatica in München gezeigt (Bild 4). Diese Entwicklungen wurden zum Teil von Herstellern von Programmier- und Simulationssystemen aufgegriffen. Interessanterweise sind es gerade die kleinen Systeme, die Unterstützung bieten für diese Technik.

Stärkerer Fokus auf die Absolutgenauigkeit der kooperierenden Roboter

Zusammenfassend kann man festhalten, dass prozesszentrierte Ansätze zur Programmierung von kooperativen Bearbeitungsaufgaben im Vergleich zu roboterzentrierten Ansätzen deutlich flexibler sind. Prototypische Lösungen existieren zum Teil. Der Einsatz dieser Produktionstechnik ist derzeit anwendergetrieben. Sollte sich der Trend zu kooperierenden Systemen durchsetzen, werden neue Herausforderungen an die Anbieter solcher Systeme gestellt: Die Absolutgenauigkeit der Roboter wird stärker im Fokus stehen, da sich nun Lagefehler über die Anzahl der beteiligten Systeme akkumulieren können.

Weiterhin werden solche Systeme relativ nah zueinander arbeiten, so dass Programmierverfahren zusätzlich zu den genannten Anforderungen kollisionsfreie Bewegungen generieren müssen. Es bleibt abzuwarten, inwieweit sich diese Fertigungstechnik durchsetzt und welche Rolle dabei Roboterhersteller und Anbieter von Programmier- und Simulationsystemen in der Weiterentwicklung spielen.

Prof. Thomas Horsch lehrt Robotik an der Hochschule Darmstadt, Fachbereich Informatik, 64295 Darmstadt.

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