Mensch-Roboter-Kollaboration

Intelligente robotische Assistenzsysteme arbeiten in industriellen Anwendungen effizient und sicher mit dem Menschen in der Produktion zusammen.
Intuitive Programmierung mit Semantischen Roboterfähigkeiten
Safe Autonomous Robot Assistant

Intuitive Programmierung mit semantischen Roboterfähigkeiten

Motivation

Der Trend zu individuell konfigurierbaren Produkten führt zu kleiner werdenden Stückzahlen. Dies macht eine Automatisierung häufig nicht rentabel, da sie den Einsatz von Experten verlangt. Unser Ziel ist es daher, die Programmierung von Robotern so weit zu vereinfachen, dass sie auch von Werkern durchgeführt werden kann. Die Idee hierbei ist, dass Experten für Roboter Fähigkeiten wie etwa Stecken oder Schrauben programmieren, die vom Endanwender lediglich ausgewählt und parametrisiert werden müssen.

Die Fähigkeiten, auch Skills genannt, sind dabei so generisch gestaltet, dass diese für einen breiten Einsatzzweck geeignet sind. Hierbei sollten das Know-How der Domänenexperten in die Fähigkeit integriert werden, um deren Wissen langfristig nutzbar zu machen. Für den Werker ist eine intuitive Programmier- oder Bedienoberfläche nötig, die es erlaubt, auf einfache Weise Skillsequenzen mit passenden Parameterwerten zu erstellen.
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Umsetzung

Die robotischen Fähigkeiten werden mit der von DLR RMC entwickelten visuellen Programmiersprache RAFCON in Form von hierarchischen Zustandsmaschinen umgesetzt. Damit können auch komplexe Abläufe mit Datenflüssen von Experten modelliert werden. Diese Skills werden semantisch annotiert, um diese vom System einlesen und analysieren zu können.

Für den Werker wird eine intuitive Bedienoberfläche auf einem Tablet zur Verfügung gestellt. Diese bietet verschiedene Wizards an, um passende Skills auszuwählen und die Parameterwerte zu setzen. Zum Parametrisieren lässt sich hierbei z.B. auch der Roboter benutzen, der händisch an eine gewünschte Position bewegt wird. Diese Position kann dann als Parameterwert abgelegt werden. Darüber hinaus ist es möglich die komplette Aufgabe dem System zu zeigen, indem der Roboter händisch verfahren wird. Mittels der semantischen Beschreibung der Skills kann das System selbständig die nötigen Fähigkeiten und Parameter ableiten.
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Anwendungen

Aktuell sind die Skills Pick, Place, Stack, Peg in Hole, Push und Hand over implementiert. Im Demonstrator lassen sich damit Boxen aufeinanderstapeln, Ringe auf einen Stift auffädeln, Knöpfe bedienen und Teile übergeben. Der Anwender kann wählen, ob er die Aufgaben lieber am Tablet eingibt oder am Roboter vormacht.

Der Roboterarm ist auf einer Linearachse montiert. Im Vordergrund liegen die Objekte, die sich manipulieren lassen.

Die Roboterfähigkeit ‚Pick‘ von einem Experten in RAFCON programmiert

Die Bedienoberfläche für Endanwender. Im Ablaufplan wurde ein Pick-Skill eingefügt.

Ansprechpartner:

Franz Steinmetz

Safe Autonomous Robotics Assistant

Die Idee dahinter

Robotische Fertigungsassistenten müssen gefühlvoll, flexibel und einfach zu bedienen sein – und mehr. Der DLR Safe Autonomous Robotic Assistant (SARA) soll die robotische Montageunterstützung auf ein neues Level heben.

DLR SARA zeigt erstmalig das Erlernen von Wirktrajektorien: Die Interaktionskräfte, die der Werker im Verlauf der Montage vorgibt, wenn er den Roboter führt, werden gespeichert und können als „Filmschnipsel“ abgespielt oder für Lernalgorithmen verwendet werden. Werkzeugwechsel erfolgen mit dem integrierten Werkzeugwechsler in Sekunden, um die Ausführung komplexer Montageabläufe abbilden zu können. Und Kontakte und Kollisionen werden in nie dagewesener Signalqualität erfasst und zur Reaktion verwendet.
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Aufbau des Systems

Eine komplett neue, patentierte Anordnung von Kraft- und Drehmomentsensoren erlaubt die Unterscheidung von Führ- und Kontaktkräften. Per PCI Express kann der Steuerungs PC jederzeit bis in die Spitze des Roboters zugreifen.

Die spezielle Sensoranordnung nutzt die Unterscheidung der eingeleiteten Kräfte, um den Roboter schwerelos zu regeln. Nur in diesem Zustand wird der Roboter transparent, also kommen die vom Werker aufgebrachten Kräfte auch am Werkstück an. Damit kann in nie dagewesener Qualität gemessen werden, was am Werkstück passieren soll. Um Kontakte optimal erfassen zu können, und um den Roboterarm in der vollen Steifigkeit der Mechanik, aber auf Wunsch auch nachgiebig wie eine Feder regeln zu können, wird der gesamte Arm im 8kHz Takt ausgelesen und kommandiert. PCI Express zugriff auf alle intelligenten Komponenten ermöglicht die maximale Flexibilität in der Entwicklung, bei der Erweiterung und in der Signalanalyse der Roboterdaten.
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Anwendungen

Im Rahmen der Factory of the Future ist SARA die zentrale Komponente für vollständig autonome Montage. Einfache Logistiksysteme und durchdachte passive Elemente reichen, um vollständig autonom für Montageaufträge zu rüsten, und diese abzuarbeiten. Durch die besonderen Fähigkeiten des Arms, zusammen mit der intelligenten Planungssoftware des Instituts für Robotik, werden komplexe Montageaufgaben oder kleine Losgrößen automatisierbar.

Die Zustandsregelung mit Kraftrückkopplung erlaubt, abgestimmte Gebinde und Vorrichtungen gezielt und passgenau im Arbeitsraum zu platzieren, sodass prozesssicher darauf zugegriffen werden kann. Auf diese Weise kann in einer Fabrik mit mehreren Stationen vom Serienprodukt bis zum wiederkehrenden Einzelauftrag eine breite Palette von Arbeiten ausgeführt werden, sogar nachts. Durch die flexible Verkettung von Stationen kann ein Ausfall oder eine Blockade einer Station kompensiert werden.
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Roboterarm SARA beim Montageprozess einer Gehäuseabdeckung.

Safe Autonomous Robotic Assistent (SARA) mit Motorblock.

Ansprechpartner:

Oliver Eiberger