Robotik Programmiersystem zur direkten Interaktion mit dem Roboter

Autor / Redakteur: Christian Brecher und andere / Rüdiger Kroh

Kleine Losgrößen und sich ständig verändernde Produktionsabläufe verhindern bei kleinen und mittleren Unternehmen oft den wirtschaftlichen Robotereinsatz. Damit eine Neu- und Umprogrammierung schneller und intuitiver durchgeführt werden kann, wurde ein Programmiersystem zur direkten Interaktion mit dem Roboter entwickelt.

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Bild 1: Der Bediener kann sowohl das geometrische Modell der Arbeitsumgebung als auch die relevanten Werkstückpositionen an der realen Zelle einlernen. Basierend auf diesen Daten wird dann automatisch ein Roboterprogramm erstellt.
Bild 1: Der Bediener kann sowohl das geometrische Modell der Arbeitsumgebung als auch die relevanten Werkstückpositionen an der realen Zelle einlernen. Basierend auf diesen Daten wird dann automatisch ein Roboterprogramm erstellt.
(Bild: WZL)

Viele Produktionsprozesse lassen sich heute mithilfe von Industrierobotern automatisieren. Sie bewegen und steuern dazu Werkzeuge, indem Code durch die Robotersteuerung in Programmabläufe umgesetzt wird. Diese Abläufe werden zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme einmalig für den jeweiligen Einsatzzweck erstellt und verändern sich während der Produktionsphase nicht. Durch eine hohe Wiederholgenauigkeit und die strenge Programmabarbeitung garantieren Roboter einen stabilen Produktionsbetrieb bei großen Stückzahlen und komplexen Ablauforganisationen, wie sie in der Automobilindustrie zu finden sind [1].

Mehr Inbetriebnahmevorgänge durch sinkende Stückzahlen

Je höher das Produktionsaufkommen ist, desto geringer fällt der Aufwand für die Inbetriebnahme bezogen auf das einzelne Produkt aus. Demgegenüber bewirkt der zunehmende Trend zu steigender Variantenvielfalt und sinkenden Stückzahlen von Gleichteilen, dass Inbetriebnahmekosten bei einer automatisierten Herstellung einen immer größeren Teil der Fertigungskosten ausmachen [2].

Für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) entsteht so ein doppelter Kostendruck. Zum einen treten bei ihnen Inbetriebnahmevorgänge aufgrund geringer Stückzahlen sehr häufig auf, zum anderen müssen sie Mitarbeiter qualifizieren, um die Möglichkeit der Inbetriebnahme realisieren zu können. In Verbindung mit den ohnehin schon hohen Investitionskosten für die Anschaffung einer Roboterzelle erscheint die Möglichkeit einer automatisierten Produktion für viele KMU daher nicht wirtschaftlich, obwohl sie technisch oft sinnvoll wäre.

Der Schlüssel zu einer steigenden Verbreitung von Industrierobotern bei KMU liegt damit in einer Vereinfachung der Roboterprogrammierung, sodass diese auch von ungeschulten Personen schnell erlernt und durchgeführt werden kann [3]. Durch ein notwendiges Denken in Koordinatensystemen ist die Programmierung jedoch auch heute noch stark mathematisch geprägt und erfolgt, je nach Hersteller und kinematischer Roboterstruktur, maschinennah [4].

Fokus liegt auf einer Steigerung der Bedienungsintuitivität

Syntaxfehler, das heißt Fehler, die durch mangelnde Kenntnis der jeweiligen Programmiersprache entstanden sind, können zwar automatisch erkannt und teilweise auch behoben werden; logische Fehler, die sich aufgrund falscher Verkettung von Bewegungsbefehlen ergeben, bleiben dadurch jedoch unerkannt und können zu Kollisionen und zur Gefährdung von Menschen führen. Je nach Einsatzzweck ergibt sich ein hoher Schulungsaufwand. Auf diese Weise verteilt sich der Nutzerkreis von Robotern – trotz steigender Absatzzahlen – auf wenige große Unternehmen und Branchen, für die die vorhandenen Inbetriebnahme- und Bedienkonzepte ursprünglich entwickelt wurden.

Um die hohe Flexibilität, die ein Roboter bezüglich der Bewegungsausführung bietet, auch in neuen Industriezweigen und insbesondere in KMU nutzen zu können, werden am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen seit über 20 Jahren neue Anlagenkonzepte und Programmierverfahren untersucht. Dabei liegt der Fokus der Forschungstätigkeiten insbesondere in einer Steigerung der Bedienungsintuitivität, sodass auch ungeschulte Mitarbeiter die Verfahren leicht erlernen können. So wurde mit Prodemo ein Programmiersystem entwickelt, das dem Bediener eine direkte Interaktion mit dem Roboter ermöglicht.

Programmieren durch Demonstration

Das Konzept von Prodemo beruht auf der Idee des Programmierens durch Demonstration. Dabei werden die Bewegungen des Bedieners von einer Sensorik erfasst und unmittelbar in eine Bewegung des Roboters übersetzt (Bild 1). Der Bediener erhält ein direktes Feedback und kann den Roboter an die gewünschte Position verfahren.

Weil die Bewegungen des Roboters stets gleichgerichtet zu den Bewegungen des Bedieners ausgeführt werden, entfällt das klassische Denken in Koordinatensystemen, bei dem insbesondere zu Beginn der Roboterbewegung eine Abschätzung der Bewegungsrichtung schwer fällt und Kollisionen sehr häufig in Maschinennähe während der Programmierung auftreten.

Bewegungen des Bedieners werden direkt auf den Roboter übertragen

Das Ergebnis eines mit Prodemo programmierten Roboters liegt – wie bei den klassischen Verfahren auch – in Form von Programmcode vor, sodass keine Unterschiede bezüglich der Genauigkeit und Robustheit während des Produktivbetriebs bestehen [5]. Die zur Bedienung des Systems notwendigen Komponenten sind in Bild 2 dargestellt und bestehen aus dem Bewegungsführungsgerät (BFG), einem Infrarot-Tracking-System, einem Inertialsensor sowie einem speziellen Adapterflansch des Industrieroboters.

Sowohl das BFG als auch der Adapterflansch sind mit optischen Infrarotmarkern ausgestattet, welche durch das Infrarot-Tracking-System erkannt und in räumlicher Position und Orientierung genau erfasst werden. Die durch den Bediener initiierten Bewegungen des Bewegungsführungsgeräts können somit unmittelbar und ohne weiteres Expertenwissen auf den Roboter übertragen werden.

Die Aktivierung der Bewegungsführung erfolgt durch Betätigen eines Zustimmtasters am BFG. Weiterhin werden über das BFG verschiedene zusätzliche Funktionen realisiert. Dabei handelt es sich um sicherheitsrelevante Funktionen wie Not-Aus-Schalter und um prozessbedingte Funktionen, beispielsweise Greifer öffnen/schließen oder Stützpunkt abspeichern.

Position des Infrarot-Tracking-Systems kann frei gewählt werden

Das direkte Bedienprinzip des dargestellten Systemaufbaus erfordert grundsätzlich eine kontinuierliche Erfassung des BFG durch das Infrarot-Tracking-System. Weil dies bei der Inbetriebnahme von Produktionsabläufen im Allgemeinen nicht von einer konstanten Position des IR-Systems erfolgen kann, wurde die Möglichkeit integriert, die Position des IR-Systems räumlich frei – und während der Programmierung veränderbar – zu wählen. Die Positionsänderung des Infrarot-Tracking-Systems wird auf Basis der Trägheits- sowie Magnetfelddaten des Inertialsensors ermittelt. Dabei ist grundsätzlich eine örtliche Trennung der Bewegungsbereiche des Anwenders sowie des Industrieroboters möglich, sodass das Verletzungsrisiko des Bedieners minimiert werden kann.

Ausgehend von den beschriebenen Systemkomponenten wurden unterschiedliche Interaktionsmöglichkeiten entwickelt, welche vom Bediener situationsabhängig frei umgeschaltet werden können [5]. Bild 3 gibt einen Überblick über die verschiedenen Modi. Neben der bereits beschriebenen direkten Bewegungsführung des Roboters (A) kann ebenfalls eine achsspezifische Bewegung (B) gewählt werden, in der gezielt einzelne Roboterachsen verdreht werden können.

Sowohl im kartesischen als auch im achsspezifischen Modus ist ein Skalierungsfaktor der Bewegung zwischen BFG und Roboterflansch einstellbar (C). Dieser Skalierungsfaktor kann eine Untersetzung oder eine Übersetzung der Bewegungsvorgaben bewirken. Bei einer Untersetzung erzeugt eine große Bewegung des BFG lediglich eine kleine Bewegung des Roboterflansches; bei einer Übersetzung wird eine kleine Bewegungsvorgabe in eine große Flanschbewegung übertragen. Somit kann in kritischen Situationen, beispielsweise bei der Annäherung an eine Greifposition, der Roboter genau positioniert und in unkritischen Situationen, zum Beispiel Transferbewegungen, sehr schnell bewegt werden.

Entlang der Achsen des Koordinatensystems können Bewegungen gesperrt werden

Im Rahmen der kartesischen Interaktion besteht die Möglichkeit, Bewegungen in einzelnen räumlichen Freiheitsgraden zu sperren (D). Dazu kann ein ebenfalls mit Infrarotmarkern ausgestattetes, mobiles Koordinatenkreuz (Bild 4) vom Bediener frei im Raum positioniert werden.

Entlang der Achsen dieses Koordinatensystems können Bewegungen sowohl translatorisch als auch rotatorisch gesperrt werden. Es werden dann lediglich die Bewegungen entlang der freigegebenen Koordinatenachsen an den Industrieroboter übertragen. Somit können präzise Bewegungen – beispielsweise entlang von Oberflächen oder senkrecht zu Greifpositionen – durchgeführt werden.

Standard-Laptop genügt zur Ausführung der Software

Mit seinen verschiedenen Interaktionsmöglichkeiten bildet das Prodemo-System insbesondere die Anforderungen an die Programmierung von Handhabungsaufgaben, wie sie bei der Beschickung von Maschinen und Anlagen auftreten, vollständig ab. Programmierhilfen, wie das bewegliche (magnetische) Koordinatenkreuz und Möglichkeiten zur einfachen TCP-Vermessung, schaffen zusätzliche Transparenz bei der Bewegungsführung und erhöhen so die Intuitivität des Verfahrens (Bild 4).

Das einhändig bedienbare BFG erleichtert dabei den Zugriff auf häufig verwendete Funktionen, wie das stufenlos einstellbare Übersetzungsverhältnis, das Öffnen und Schließen des Greifers oder das Abspeichern einzelner Bahnpunkte. So kann sich der Bediener ganz auf seine Programmieraufgabe konzentrieren und benötigt keinen Sichtkontakt zu einem Display.

Für den Einsatz wird neben dem Kamerasystem mit entsprechenden Markern nur ein Standard-Laptop zur Ausführung der entwickelten Software benötigt (Bild 5). Sie enthält, außer den Einstellmöglichkeiten für die beschriebenen Interaktionsmodi, einen grafischen Editor zur Festlegung der Programmstruktur. Abgespeicherte Punkte und bereits erstellte Programmabläufe können dort nachträglich verändert werden, auch ohne dass dazu eine direkte Verbindung zur Robotersteuerung benötigt wird.

Kommunikation erfolgt über Standardschnittstellen

Während der direkten Interaktion mit dem Bewegungsführungsgerät berechnet die Software im Hintergrund die vom Roboter ausgeführte Bewegung und sendet sie an die Robotersteuerung. Die Kommunikation zwischen Software und Robotersteuerung, zum Beispiel zur Bewegungs- und Greifersteuerung, erfolgt ausschließlich über im industriellen Umfeld verfügbare Standardschnittstellen. Daher kann Prodemo grundsätzlich mit beliebigen Roboterkinematiken und -steuerungen verwendet werden. MM

Literatur

[1] Brecher, C., Göbel, M., Pohlmann, G., Roßmann, J., Ruf, H. und C. Schlette: Modellbasierte Programmierung „by Demonstration“ – schnelle Inbetriebnahme von Robotersystemen (Prodemo). In: atp – Automatisierungstechnische Praxis 51 (2009), 7, S. 62-68.

[2] Brecher, C., Göbel, M., Herfs, W. und G. Pohlmann: Assistenzsystem für die Inbetriebnahme von Industrierobotern im Anlauf kleiner Serien. In: Sichere Mensch-Maschine-Interaktion. Fortschrittsberichte VDI, Reihe 2, (2011), Nr. 681, S. 1-10.

[3] Brecher, C., Göbel, M., Herfs, W. und G. Pohlmann: Roboterprogrammierung durch Demonstration – ein ganzheitliches Verfahren zur intuitiven Erzeugung und Optimierung von Roboterprogrammen. In: wt Werkstattstechnik online 99 (2009), 9, S. 655-660.

[4] Weck, M. und C. Brecher: Werkzeugmaschinen 4 – Werkzeugmaschinen, Maschinenarten und Anwendungsbereiche. 6. Auflage. Springer, Berlin, 2006.

[5] Goebel, M.: Verfahren zur intuitiven Programmierung von Industrierobotern durch Demonstration. Diss. RWTH Aachen, 2012.

* Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist geschäftsführender Direktor des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen in 52074 Aachen. Dipl.-Ing. Christian Ecker, Dipl.-Ing. Thomas Breitbach und Dipl.-Ing. Wolfram Lohse sind dort wissenschaftliche Mitarbeiter.

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