Mobile Manipulation

FlappyBot

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SwarmRail

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Integrated Positioning System

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FlappyBot

FlappyBot

FlappyBot – der neue Freiheitsgrad für Fiberplacement

Die Idee dahinter

Große, flächige Faserverbundstrukturen für Verkehrsflugzeuge werden aufgrund von Automatisierbarkeit und Prozessstabilität vorwiegend im Fiberplacement-Verfahren hergestellt. Ein typischer Anwendungsfall sind die Flügelschalen.

Das Laminat wird aus bis zu 300 Einzellagen dünner, unidirektionaler Faserhalbzeuge aufgebaut. Der Ablegekopf wird dabei durch große Portalanlagen oder Knickarmroboter geführt. Entsprechend der Bauteilgröße eines Flügels und der erforderlichen Genauigkeit sind die Portalanlagen entsprechend groß und massiv ausgeführt. Kompaktere Knickarmroboter verfügen über eine eingeschränkte Reichweite. Mit kontinuierlicher Effizienzsteigerung in der Produktion entstand der Ansatz, mehrere Ablegeköpfe gleichzeitig an einem Laminat legen zu lassen. Eine robotergebundene Umsetzung dessen wird bereits in Stade entwickelt. Als zukünftige Ausbaustufe sind frei verfahrbare, kabellose, autonome Plattformen denkbar, die die bisherigen Führungskinematiken obsolet machen. Schwarmähnliche Effizienz mehrerer kooperierender Einheiten und Redundanz durch Austauschbarkeit einzelner Einheiten machen das Fertigungssystem wirtschaftlicher und robuster.

Der Aufbau des Systems

Der Ansatz frei verfahrbarer, mobiler Einheiten wird seit einer Prämierung durch den DLR-Idea-Award verfolgt. Die zentrale Herausforderung des Verfahrens – dem Fahren auf dem Laminat ohne unzulässige Beschädigungen – wurde auf einem Prüfstand untersucht.

Aufgrund der Prozesscharakteristik sind als Radlösung Kugelradmodule am besten geeignet. Die selbstfahrenden Einheiten verfügen dabei über jeweils drei Kugelradmodule. Insbesondere bei Richtungsänderungen verhalten sich diese schonender gegenüber dem noch unausgehärteten Laminat. Gleichzeitig ist die im Vergleich zu konventionellen Rädern höhere Flächenpressung unter der Kugel nicht kritisch. An einem Prüfstand werden für kommende Ausbaustufen weitere kritische Parameter wie beispielsweise das viskoelastische Verhalten des Fasermaterials und die Schlupfcharakteristik zwischen Kugel und Laminat untersucht. Parallel zur Validierung der Auswirkungen auf das Laminat wird das Antriebsmodul entwickelt und in das Mockup implementiert.

Anwendungen

Für Fiberplacement sind Portalsysteme und Knickarmroboter durch Legeleistung und Genauigkeit Benchmark. Solche Systeme sind durch ihren großen Umfang an Hardware und baulichen Voraussetzungen jedoch nur bedingt skalierbar. Das Projekt FlappyBot hat das Ziel, den Entwicklungsfortschritt der mobilen Robotik für Fiberplacement zugänglich zu machen.

Mehrere selbstfahrende, kabellose Robotereinheiten sollen das Laminat aus Fasermaterial aufbauen. Schwarmähnlich sollen die Einheiten kooperieren und für Fiberplacement erstmalig eine Redundanz ermöglichen, um Stillstandzeiten durch Bestückung, Wartung und Reinigung abzufangen. Diese Flexibilität ist der entscheidende Vorteil des Fertigungssystems. Die Fertigungstechnik von kommenden Nurflügler-Flugzeugkonfigurationen könnte aufgrund der guten Skalierbarkeit und des geringen Hardwareumfangs ebenfalls von FlappyBot profitieren. Ein Zwischenschritt in der Entwicklung von FlappyBot im skalierten Maßstab können NDT-Anwendungen parallel zum Ablegeprozess oder der vollständig ausgehärteten Flügelschalen sein.

Mehrere Einheiten kooperieren und verfahren ohne Führungskinematik

Fiberplacement durch autonome selbstfahrende Einheiten

Ansprechpartner:

Philipp Sämann M.Sc.

Institut:

Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik

Integrated Positioning System

Integrated Positioning System

Die Idee dahinter

In der Industrie 4.0 modernisieren mobile Roboter maßgeblich Produktionsabläufe. Sie gestatten nicht nur einen hohen Autonomiegrad bei höherer Effizienz in routinierten Aufgaben, wie dem Transport von Bauteilen in Lagerhallen und dem Verbauen in Fertigungsstätten, sondern gewährleisten auch die notwendige Flexibilität, um Prozesse umzugestalten. Optische Technologien …

…werden dabei eine Schlüsselrolle spielen. Beispielsweise ist die Fähigkeit selbstständig zu navigieren eine Kernvoraussetzung für den Einsatz dieser modernen Maschinen. Die hohen Anforderungen an Präzision und Zuverlässigkeit in hochdynamischen Anlagen können nicht durch konventionelle Navigationslösungen erfüllt werden. Auch Abläufe ohne Navigation benötigen permanente intelligente Überwachung, um Prozesse zu optimieren und Fehler zu vermeiden – insbesondere, da der Mensch die Maschinen nicht mehr aktiv steuert.

Der Aufbau des Systems

Das IPS ist speziell für die räumlich-zeitliche Echtzeit-Eigenverortung und 3D-Kartierung in Indoor- und Outdoor-Umgebungen geschaffen. Im Vordergrund stehen dabei Flexibilität und Autonomie: Für diese Aufgaben werden weder a-priori Wissen über die Umgebung (z.B. Karten), noch externe Referenzierungssysteme (z.B. GNSS) benötigt.

Das Herzstück bildet die Kombination einer Stereokamera mit einer inertialen Messeinheit – mit ihr wird der menschliche Orientierungssinn sensorisch nachempfunden. Die sich ideal gegenseitig ergänzenden physikalischen Eigenschaften der Sensoren führen durch Verarbeitung in einem erweiterten Kalman-Filter zu störungsrobusten Informationen. Das modulare Multisensorkonzept erlaubt darüber hinaus die Integration weiterer Ortungs- oder Prüfsensorik, wie zum Beispiel einem Thermal-Sensor, um die Umgebung in weiteren Spektralbereichen auszuwerten.
Zur Validierung bestehender Algorithmen und der Entwicklung neuer Ansätze kann das IPS vollständig in der dazugehörigen Simulation synthetisiert werden (Digital Twin). Industrielle Prozesse lassen sich so realitätsnah bewerten und damit verbundene hohe technische, logistische oder ökonomische Aufwendungen vermeiden.

Anwendungen

Die besondere Datenerfassung des IPS‘ erlaubt komplexe optische Analysen industrieller Prozesse. Zum einen können Maschinen auf diese Weise auf Abweichungen vom Normverhalten überwacht, durch Verortung identifiziert und so Unfälle frühzeitig verhindert werden. Neben dieser stetigen Kontrolle wird das IPS derzeit auch für visuelle Inspektions- und Wartungsaufgaben von industriellen Anlagen eingesetzt. Zum anderen findet die Echtzeit-3D-Kartierung als präzise und unabhängige Informationsquelle Anwendung bei der Navigation von autonomen Einheiten.

Auf Fahrzeug montiertes IPS

Handgetragenes IPS mit Thermal-Sensor

Ansprechpartner:

Maik Wischow
Dr.-Ing. Anko Börner

Institut:

Institut für Optische Sensorsysteme

SwarmRail

SwarmRail

Die Idee dahinter

Wie kann der deckennahe Raum in einer Werkhalle optimal durch einen Roboter genutzt werden? SwarmRail ermöglicht Robotern, sich an der Decke in unterschiedliche Richtungen fortzubewegen, während sie gleichzeitig am Werktisch oder am Boden vielfältige Aufgaben durchführen.

SwarmRail kombiniert omnidirektional bewegliche, mobile Roboter mit einem weichenlosen, deckenmontierten Schienensystem. Das SwarmRail Konzept zielt hierbei auf einen hochgradig flexiblen Produktionsprozess in der Fabrik der Zukunft, indem es den zur Verfügung stehenden Arbeitsraum von oben erschließt. Somit können Transport- und Manipulationsaufgaben sowohl von boden- als auch deckengebundenen Robotersystemen durchgeführt werden..

Der Aufbau des Systems

Die Besonderheit des SwarmRail-Systems liegt in der Kombination von omnidirektional mobilen Einheiten mit einem gitterförmigen Schienennetzwerk, welches durch passive Kreuzungen und einen durchgehenden Spalt zwischen den Laufflächen der Schienen gekennzeichnet ist. Durch diesen Spalt kann ein unterhalb der Schiene agierender Manipulator mit einer auf der Schiene verfahrenden mobilen Einheit verbunden werden.

Das SwarmRail-Konzept basiert auf dem Zusammenspiel einer omnidirektionalen mobilen Plattform und L-förmiger Schienenprofile, die einen zentralen, durchgehenden Spalt bilden. Dieser Spalt ermöglicht die hängende Montage eines Roboterarmes an der Unterseite der mobilen Plattform. Im Vergleich zu bestehenden Lösungen ermöglicht SwarmRail eine kontinuierliche Überkopfmanipulation, auch während des Durchfahrens von Schienenkreuzungen. Der Einsatz in einem Schwarm von Robotern ist ebenfalls möglich, da es den gleichzeitigen Betrieb einer Gruppe von mobilen SwarmRail-Einheiten innerhalb eines einzigen Schienennetzes ermöglicht.

Anwendungen

Durch den einfachen Aufbau des Schienennetzes und den gleichzeitigen Einsatz mehrerer mobiler Einheiten bietet das System eine innovative Lösung mit hohem wirtschaftlichem Potential für die Industrie, die Logistik und auch das Vertical Farming. Experimente an einem ersten funktionalen Demonstrator bestätigen die praktische Umsetzbarkeit des Konzepts.

Visualisierung des SwarmRail-Konzepts mit mobilen Einheiten, die in einer Schienengitterstruktur fahren

SwarmRail-Unit mit Leichtbauroboter als Manipulator

Ansprechpartner:

Martin Görner

Institut:

Institut für Robotik und Mechatronik