Roboterprogrammierung für jedermann

Ladenburg, 8. November 2007 - Lead-Through-Programming - Programmierung durch Vorführen

Der Traum, dass uns Roboter aufs Wort gehorchen, wird langsam Wirklichkeit. Innerhalb der Forschungsinitiative „SMErobotTM“ der Europäischen Gemeinschaft entwickelt das ABB Forschungszentrum eine neue Art, Roboter zu programmieren. In Ladenburg wurde eine Programmiermethodik entwickelt, die auf intuitive Art und Weise Steuerungsprogramme für Roboter generiert. Der Benutzer führt hierbei den Roboter durch Anfassen schrittweise durch den Prozess und die Steuerungssoftware setzt das in ein Programm um. So können auch unerfahrene Arbeiter Robotern neue Arbeitsschritte beibringen.

Bisher profitieren vor allem kleine und mittelständische Produktionsbetriebe noch nicht von der Robotertechnik. In Produktionsbetrieben mit weniger als 10 oder in mittelständischen Betrieben mit weniger als 250 Mitarbeitern gilt der Einsatz von Robotern häufig als zu kostspielig. Der Produktfokus solcher Betriebe liegt häufig auf Gütern mit hohem manuellen Aufwand und verhältnismäßig geringen Stückzahlen. Dies ermöglicht einerseits, schnell auf Kundenwünsche und Marktveränderungen zu reagieren, andererseits jedoch sind vollautomatisierte Fertigungsstraßen, wie sie in der Massenproduktion zum Einsatz kommen, hierfür zu teuer und zu unflexibel. Aus diesen Gründen lohnt der Einsatz von Robotern in kleinen und mittleren Produktionsbetrieben bisher kaum.

Um die Wettbewerbsfähigkeit dieser Produktionsbetriebe nachhaltig zu stärken, hat die Europäische Gemeinschaft im Rahmen ihres 6. Rahmenprogramms die Forschungsinitiative „SMErobotTM“ (siehe www.smerobot.org) ins Leben gerufen. Ziel dieser Initiative ist es, kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMUs, engl. SME für Small and Medium Enterprises) den Einsatz moderner Industrieroboter zu ermöglichen. An „SMErobotTM“ beteiligen sich die größten europäischen Roboterhersteller, sowie diverse Institute, Forschungseinrichtungen und Verbände. Das ABB Forschungszentrum beteiligt sich zusammen mit der schwedischen ABB Robotics in verschiedenen Teilprojekten und arbeitet dort unter anderem mit Kuka, Reis, Comau oder auch dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt oder der Technischen Universität Lund, Schweden, zusammen.

Im Rahmen eines Demonstrators entwickelt ABB eine Beispiellösung mit einem gänzlich neuartigen Roboter, der auf die speziellen Bedürfnisse von Gießereien ausgerichtet ist. Gießereien stellen Produkte häufig nur in kleinen Losgrößen her, wobei jedes Teil manuell nachbearbeitet werden muss. Verfahrenstechnisch bedingt befinden sich bei Gussteilen nach dem Gießen noch so genannte Angussteile und vielfach auch Grate am Werkstück. Bisher werden diese rein manuell mit einem Schneidbrenner und mit Schleifgeräten entfernt. Diese körperlich schwere und gefährliche Arbeit darf oft nur für eine begrenzte Zeit ausgeführt werden, um gesundheitliche Schäden zu vermeiden. Der neu entwickelte Roboter soll den Arbeitern künftig die groben Aufgaben abnehmen, so dass diese sich auf die Feinarbeit konzentrieren können. Dies erhöht die Produktqualität und reduziert das Gefahrenrisiko für die Arbeiter.

Die Roboter-Hardware alleine ist für die Gießereien jedoch nicht ausreichend. Wesentlich ist auch eine einfach zu bedienende Software, die auf möglichst intuitive Weise die Programmierung der Roboterbewegungen ermöglicht. Bisher ist viel Expertenwissen erforderlich, um die teilweise komplizierten Bewegungen in Steuerungsprogramme für den Roboter umzusetzen. Die KMUs bräuchten daher nicht nur spezialisierte Programmierer für diese Aufgaben, der Aufwand für die Programmierung der vielen verschiedenen Werkstücke mit geringer Stückzahl wäre im Verhältnis auch zu groß. In der Massenproduktion hingegen ist das Verhältnis zwischen Programmier- und Betriebszeit deutlich besser, weshalb Roboter in diesen Bereich weit verbreitet sind. Eine der Schlüsseltechnologien, um KMUs den Einsatz von Industrierobotern zu ermöglichen, ist daher die Vereinfachung der Roboter-Programmierung.

Das ABB Forschungszentrum hat hierfür eine Programmiermethodik entwickelt, die auf intuitive Art und Weise Steuerungsprogramme für Roboter generiert. Der Benutzer führt hierbei den Roboter durch Anfassen schrittweise durch den Prozess. An den prozessrelevanten Positionen erteilt er entsprechende Kommandos die angeben, was der Roboter an dieser Position jeweils zu tun hat. Diese intuitive Art einen Roboter durch Anfassen und Führen zu programmieren, wird durch das von ABB seit Juni 2007 angebotene „Force Control Machining“ ermöglicht. Dieses Softwarepaket erfasst mithilfe eines Kraftsensors am Roboterflansch Kräfte, die auf das Roboterwerkzeug einwirken und erkennt so, wohin der Roboterarm sich bewegen soll. Auf diese Art lässt sich der Roboter führen wie der Arm eines Menschen, dem man eine Bewegung zeigen möchte. Gleichzeitig kann der Roboter mit diesem Softwarepaket Konturen selbständig erlernen. Dazu tastet sich der Roboter mit dem Kraftsensor entlang einer Referenzkontur und generiert aus der dabei gemachten Bewegung automatisch eine Roboterbahn – der Roboter lernt sozusagen fast selbstständig die auszuführende Bewegung.

Die Ladenburger ABB-Forscher gehen im Rahmen von „SMErobotTM“ noch einen Schritt weiter, um die einfache und komfortable Programmierung auch unerfahrenen Benutzern und für beliebige Programmieraufgaben zu ermöglichen. Hierzu wurde ein neuartiges Konzept entwickelt, das auf einem zentralen Server basiert. Dieser Server kommuniziert mit den Robotern in der Fertigung und mit den Benutzern und kann dabei mehrere Roboter und mehrere Benutzer koordinieren. Auf diesem Server sind Befehle hinterlegt, die mit Hilfe von Schlüsselwörtern vom Benutzer über eine einfache Benutzerschnittstellen wie beispielsweise Notebook, PDA oder Spracheingabe aufrufbar sind. Solche Anweisungen sind zum Beispiel „bewege dich hierher“, „schalte das Werkzeug ein“ oder „warte 5 Sekunden“. Beim Programmieren wird der Roboter dann nur noch, wie oben beschrieben, schrittweise durch den Bearbeitungsprozess geführt und die entsprechenden Befehle werden nacheinander aufgerufen. Der Server empfängt und protokolliert diese Befehle und generiert daraus am Ende automatisch ein Roboterprogramm. Das Schreiben von Programmzeilen entfällt so für den Benutzer vollständig. Er arbeitet nur noch mit einfachen, für ihn leicht verständlichen Befehlen und braucht dafür keinerlei Programmierkenntnisse. Vom Server werden ihm darüber hinaus stets nur die Befehle angeboten, die in dem jeweiligen Augenblick für ihn möglich und auch relevant sind.

Die Befehle selbst sind im Server einfach entsprechend den Anforderungen konfigurier- und erweiterbar. So unterscheiden sich der Befehls- und damit der Funktionsumfang für einen Roboter in einer Gießerei grundlegend von den Befehlen in einer Schreinerei. Feststehende Befehlsequenzen lassen sich hier als Makro abspeichern und auch gänzlich neue Befehle einfach integrieren. Hierfür sind lediglich weitergehende Programmierkenntnisse erforderlich. Diese werden aber nur einmal am Anfang für die jeweilige Anwendung benötigt und können beispielsweise von einem Systemintegrator bereitgestellt werden. Dank der Server-Architektur ist die Konfiguration der Befehle dabei nur an einer Stelle für die gesamte Produktion vorzunehmen.

Da im vorgestellten Konzept der Roboter durch Anfassen vom Benutzer bewegt wird, müssen beide Hände des Arbeiters an einer sicheren, vorgegebenen Stelle sein, um die Gefahr von möglichen Quetschungen oder anderen Verletzungen entsprechend den aktuellen Sicherheitsrichtlinien für das Arbeiten mit Robotern zu minimieren. Beide Hände sind hierdurch gebunden, daher ermöglicht der Server die Eingabe von Befehlen nicht nur durch Anklicken auf einem Bediengerät, sondern auch durch Spracheingabe. Der Roboter gehorcht quasi aufs Wort. Dies vereinfacht die Handhabung und ermöglicht eine Art Konversation mit dem System, ähnlich wie man mit einem neuen Kollegen sprechen würde, dem man die Abläufe zeigt und erklärt.

Das vom ABB Forschungszentrum entwickelte Lead-Through-Programming ist eine konsequente Weiterentwicklung des ABB „Force Control Machining“, die nicht nur das Lernen von Konturen, sondern von kompletten Fertigungsabläufen in unterschiedlichsten Produktionsbetrieben ermöglicht. Roboterprogrammierung durch Vorführen liefert so ganz neue Möglichkeiten und Wettbewerbsvorteile für alle Unternehmensgrößen.

Präsentation

"SMErobot "Lead -Through - Programming". (pdf, 1.4 MB)

Bilder
(zum Download in größerer Version bitte das Bild anklicken)

Der Benutzer führt beim Lead-Through-Programming den Roboter durch Anfassen schrittweise durch den Prozess und die Steuerungssoftware setzt das in ein Programm um.


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