Rapid Prototyping: Roboter mit Gefühl

Digitalisierung und Industrie 4.0 | Innovationen | Smart Factory | Die einfache Wiederholung von Prozessen gehört der Vergangenheit an; die Zukunft verlangt Flexibilität. Im Advanced Robotics Lab arbeitet ein junges Team an der Roboterrevolution - sehr zur Begeisterung potenzieller Anwender.

Sehr präzise umklammert iiwa den Kabelschlauch und bewegt seine Finger bis zum Stecker an seinem Ende. Sobald er ihn erreicht hat, schüttelt er das kleine Kunststoffteil so lange, bis er es fest im Griff hat. Nun muss der Stecker in die Buchse eines Steuergerätes gesteckt werden. Er macht eine leichte Drehbewegung in Richtung des Ziels, führt den Stecker vorsichtig ein und schüttelt ihn dann leicht durch – bis der Stecker langsam in die Buchse eindringt und endlich an seinem Platz ist. Dann greift iiwa wieder nach der Leitung und drückt sie vorsichtig in eine Befestigungsklammer am Lenkgetriebe. Alles ist an seinem Platz – die Arbeit ist getan. Jeder, der iiwa bei der Arbeit beobachtet, könnte fast meinen, er sei ein Mensch, denn seine Handlungen und Bewegungen ähneln so sehr denen, die Produktionsarbeiter bei der Durchführung dieses Vorgangs machen würden. Doch iiwa ist kein Mensch, sondern ein einarmiger Leichtbauroboter.

Präzise Roboterhände

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 der Schlüssel

Dies wird jedoch neue Fähigkeiten erfordern. Künftig wird es nicht mehr ausreichen, immer wieder unermüdlich und mikrometergenau den gleichen Prozess zu wiederholen. Stattdessen werden Roboter lernen müssen, mit Unsicherheiten umzugehen und flexibel auf Rückmeldungen aus dem Prozess zu reagieren. „iiwa weiß zum Beispiel nicht, wo der Stecker, den er in die Steckdose stecken muss, sitzt“, sagt Münster. „Deshalb sucht er zunächst mit seinen beiden Stahlfingern den Kabelschlauch und führt sie dann an ihm entlang, bis er den Stecker erreicht“, erklärt Münster. Drucksensoren signalisieren dem Roboter, wenn er etwas gegriffen hat und ob die Kraft, mit der er ihn in die Steckdose gesteckt hat, groß genug war. Kameras kommen hier nicht zum Einsatz, so dass die Aktionen von iiwa ein wenig an die eines Menschen erinnern, der eine Aufgabe mit verbundenen Augen ausführen muss und sich mit Hilfe der Rückmeldung seiner Finger tastet.

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.

Beliebte 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.

Handreichung: Roboter Yumi wird mit neuen Greifwerkzeugen ausgestattet.

Ein Team von Pragmatikern

Schnelligkeit und Flexibilität sind die Markenzeichen des Advanced Robotics Lab in Liechtenstein. Dem jungen Team stehen zwei Roboter für ihre Experimente zur Verfügung. Darüber hinaus können die Entwickler in der benachbarten Thyssenkrupp-Ausbildungswerkstatt kurzfristig Teile selbst herstellen oder von einem 3D-Drucker herstellen lassen. Fehlt trotzdem noch etwas, können sie sich spontan Standardartikel wie Aluminiumprofile besorgen und mit einfachen Werkzeugen anpassen, oder sie verwenden manchmal Materialien aus dem Modellbau, um möglichst schnell einen Greifer oder eine Spannvorrichtung herzustellen. Die Steuerungssoftware für die Roboter entsteht ebenfalls in Teamarbeit innerhalb weniger Tage; soeben hat das Team auf einer Tafel notiert, wie sich die sieben Achsen von iiwa für das neueste Projekt bewegen müssen.

Von der Roboterskizze zum Konzept innerhalb von 7 Tagen

Diese Arbeit erfordert keine ausgeklügelte Technik, sondern schnelle, pragmatische Lösungen – zum Beispiel, wenn am Greifer eines Roboters spezielle Modelliermasse und Schrauben verwendet werden müssen, damit er Dichtungsringe handhaben kann. „Mit Rapid Prototyping können wir unseren Partnern innerhalb einer Woche nach dem Brainstorming eine erste Version präsentieren“, sagt Münster. „Dies ist völlig ausreichend, um die Erfolgsaussichten zu beurteilen. Außerdem verhindert dieser Ansatz, dass große Ideen zu schnell verworfen werden. Danach dauert es einige Monate, bis ein Roboter tatsächlich in der Produktion eingesetzt wird – wo er dann beweisen kann, dass Mensch und Maschine sehr gut im Team zusammenarbeiten können.

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