Rapid Prototyping: Roboter mit Gefühl

Digitalisierung und Industrie 4.0 | Innovationen | Smart Factory | Schieres Wiederholen von Abläufen war gestern – in Zukunft ist Flexibilität gefragt: Im Advanced Robotics Lab arbeitet ein junges Team an der Roboter-Revolution. Die potenziellen Anwender sind begeistert.

Präzise umschließt iiwa den Kabelschlauch und bewegt seine Finger bis zum Stecker an dessen Ende. Kaum hat er ihn erreicht, schüttelt er das kleine Plastikteil so lange, bis er es sicher gegriffen hat. Jetzt muss der Stecker in die Buchse eines Steuergerätes: ein kurzer Schwenk in Richtung des Ziels, vorsichtiges Aufsetzen, gefolgt von leichtem Rütteln – bis der Stecker langsam in die Buchse eintritt und am Ende festsitzt. Dann greift iiwa abermals den Schlauch und drückt ihn vorsichtig in eine Befestigungslasche am Lenkgetriebe. Alles sitzt, Aufgabe erledigt. Wer iiwa bei der Arbeit beobachtet, könnte ihn fast für einen Menschen halten – so sehr ähneln seine Vorgehensweise und seine Bewegungen der Art und Weise, wie Arbeiter in der Produktion diesen Handgriff ausführen würden. Aber er ist kein Mensch, sondern ein einarmiger Leichtbau-Roboter.

Präzise Roboter-Hände

Mit iiwa arbeiten die Experten im „Advanced Robotics Lab“ in Liechtenstein an neuen Anwendungen für die intelligenten Maschinen. „Advanced“ hat dabei einen ganz konkreten Sinn: „Heute nutzen wir Roboter vor allem, um Teile in der Produktion zu handhaben. Dabei kommt es auf die präzise Wiederholung von Abläufen an“, erklärt Andreas Münster, der das Labor leitet. „Wir wollen sie in Zukunft aber auch für wertschöpfende Tätigkeiten einsetzen – etwa um Stecker einzustecken oder in Fügeprozessen.“

Werkstatt-Atmosphäre: Sebastian Schädler (links) und Andreas Münster (Mitte) präparieren Roboter iiwa.
Werkstatt-Atmosphäre: Sebastian Schädler (links) und Andreas Münster (Mitte) präparieren Roboter iiwa.
Dank seiner sieben Achsen ist iiwa extrem beweglich.
Dank seiner sieben Achsen ist iiwa extrem beweglich.

Flexibilität ist Trumpf

Dafür sind aber neue Fertigkeiten gefragt. Es reicht in Zukunft nicht mehr aus, unermüdlich und auf den Mikrometer genau den immer gleichen Ablauf zu wiederholen. Stattdessen müssen die Roboter lernen, mit Unsicherheiten umzugehen und flexibel auf Rückmeldungen aus dem Prozess zu reagieren. „iiwa weiß beispielsweise nicht genau, wo der Stecker liegt, den er in die Buchse stecken soll“, so Münster. „Darum sucht er mit seinen beiden Stahlfingern zuerst den Kabelschlauch und fährt danach an ihm längs, bis er den Stecker erreicht hat.“ Drucksensoren signalisieren dem Roboter, wenn er etwas gegriffen hat und ob die Kraft beim Einstecken in die Buchse groß genug war. Kameras kommen hier nicht zum Einsatz – darum erinnert das Vorgehen von iiwa ein wenig an einen Menschen, der mit verbundenen Augen eine Aufgabe erledigen muss und sich über die Rückmeldungen seiner Finger vorantastet.

Raus aus dem Käfig

Für die Produktion verspricht der Einsatz der sensiblen Roboter geringere Kosten, eine bessere Qualität und mehr Flexibilität. Auch die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine wird sich von Grund auf verändern, weil moderne Roboter dank ihrer Sensorik inzwischen Rücksicht auf ihre Umgebung nehmen können. Kommt ihnen ein Mensch zu nahe, bleiben sie zum Beispiel einfach stehen. Dadurch können sie jetzt ihre Käfige verlassen und gemeinsam mit Menschen in der Produktion eingesetzt werden. Neben den sensitiven Robotern ist darum die Kollaboration von Mensch und Roboter der zweite Schwerpunkt des Teams. „Die Kollaboration ist die Endstufe einer Entwicklung, die von den abgesonderten Robotern über die Koexistenz und die Kooperation mit Menschen führt“, sagt Münster. „Der Mensch kann dann jederzeit in den Prozess eingreifen, während der Roboter einfach weiterarbeitet – das ist für uns die Königsdisziplin.“

Die Programmierung von Roboter
Die Programmierung von Roboter "Albert" stellt sicher, dass es bei der Montage der Dichtungsringe auf die Sensorgehäuse nicht zu Zusammenstößen mit Menschen und zu Verletzungen kommt.
Thierry Hassler, Leiter der Automatisierung in Florange, kann sich dem Roboter darum problemlos nähern und muss nicht durch einen Käfig geschützt werden.
Thierry Hassler, Leiter der Automatisierung in Florange, kann sich dem Roboter darum problemlos nähern und muss nicht durch einen Käfig geschützt werden.
Dieser innovative Einsatz eines Roboters in der Produktion wurde im Advanced Robotics Lab von thyssenkrupp in Liechtenstein entwickelt.
Dieser innovative Einsatz eines Roboters in der Produktion wurde im Advanced Robotics Lab von thyssenkrupp in Liechtenstein entwickelt.

Begehrte Helfer

Gemeinsam mit seinem Team arbeitet Münster daran, die Roboter-Revolution bei thyssenkrupp Wirklichkeit werden zu lassen. Das Interesse im Konzern ist groß: Regelmäßig trifft er sich mit potenziellen Anwendern zu Workshops, um Einsatzszenarien zu bewerten. Münsters Mitarbeiter Sebastian Schädler, der die Umsetzung der Konzepte und die Programmierung im Advanced Robotics Lab vorantreibt, diskutiert dabei mit Fertigungsplanern und Kollegen aus den Werken die Anforderungen und erarbeitet Lösungsideen. „Wir lassen zu Beginn viele Einzelheiten des Montageprozesses außer Acht, um uns bei den Konzeptstudien nicht in technischen Details zu verlieren“, erklärt Schädler.

Eine Idee ist bereits umgesetzt: Im französischen Florange ist „Albert“ heute fester Bestandteil der Belegschaft und montiert mit großem Geschick Dichtungsringe in Sensorgehäuse. Die Idee für den zweiarmigen Roboter vom Typ Yumi stammt natürlich aus dem Advanced Robotics Lab. Drei weitere Projekte werden gerade umgesetzt.

Helping hand: The YuMi robot is fitted with new gripping tools.

Helping hand: The YuMi robot is fitted with new gripping tools.

Handreichung: Roboter Yumi wird mit neuen Greifwerkzeugen ausgestattet.

Pragmatisches Entwickler-Team

Schnelligkeit und Flexibilität sind die Markenzeichen des Advanced Robotics Lab in Liechtenstein. Dem jungen Team stehen für seine Versuche zwei Roboter zu Verfügung, außerdem können die Entwickler in der benachbarten thyssenkrupp Ausbildungswerkstatt kurzfristig Teile anfertigen oder von einem 3D-Drucker herstellen lassen. Und wenn dennoch etwas fehlt, beschaffen sie sich spontan Standardartikel wie Aluminiumprofile und passen sie mit einfachen Mitteln an, oder sie verwenden auch mal Materialen aus dem Modellbau, um so schnell wie möglich einen Greifer oder eine Aufspann-Vorrichtung zu realisieren. Die Steuerungssoftware für die Roboter entsteht ebenfalls innerhalb weniger Tage in Teamarbeit; auf einer Tafel hat das Team gerade notiert, wie sich die sieben Achsen von iiwa für das neueste Projekt bewegen sollen.

Zum Roboter-Konzept in 7 Tagen

Hier geht es nicht um ausgefeiltes Engineering, sondern um schnelle und pragmatische Lösungen – wenn beispielsweise der Greifer eines Roboters mit Spezialknete und Schrauben für den Umgang mit Dichtungsringen fit gemacht werden muss. „Wir können unseren Partnern durch Rapid Prototyping innerhalb einer Woche nach der Ideenfindung einen ersten Stand präsentieren“, so Münster. „Das ist völlig ausreichend, um die Erfolgsaussichten zu bewerten. Zudem verhindert dieser Ansatz, dass tolle Ideen vorschnell verworfen werden.“ Bis der Roboter dann tatsächlich in der Produktion im Einsatz ist, dauert es noch einige Monate. Dort kann er dann beweisen, dass Mensch und Maschine bestens im Team zusammenarbeiten können.

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