Kognitive Roboter zur Steigerung der Produktionsprozesse von KMUs
Um Roboter aus der Industrie fernab repetitiver Aufgaben einzusetzen, zielte das Projekt SMEROBOTICS (The European Robotics Initiative for Strengthening the Competitiveness of SMEs in Manufacturing by integrating aspects of cognitive systems) darauf ab, diese mit kognitiven Fähigkeiten auszustatten. „Die Kinematik eines Standardroboters mit sechs oder sieben Achsen ermöglicht, dass dieser mit jeweils hoher Präzision und Geschwindigkeit nahezu jede beliebige Position erreichen kann und dass dieser sich innerhalb seines Bereichs orientieren kann. Um zu ermöglichen, dass der Roboter jede nützliche Aufgabe ausführen kann, muss dieser mit Sensoren, Greifern und weiteren Werkzeugen ausgestattet werden. Ferner muss dieser in den Produktionsstandort integriert werden und mit anderen Systemen verbunden werden, um eine Aufgabe ausführen zu können. Dies zu erreichen macht eine komplexe Software erforderlich, dies stellt ein kostspieliges Verfahren, welchem die Flexibilität der Hardware zum Opfer fällt“, sagt Martin Hägele, Leiter der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme am Fraunhofer-Institut und Koordinator von SMEROBOTICS. Die Umsetzung eines Robotersystems ist somit kosten- und zeitaufwändig und nur dann wirtschaftlich sinnvoll, wenn der Roboter kontinuierlich in Betrieb ist und solange wie möglich die gleiche Aufgabe ausführt, sodass die Investitionsrentabilität maximiert wird. Dies deckt sich nicht gänzlich mit den Produktionsanforderungen eines KMU. Hägele und sein Team sind davon überzeugt, dass die Fertigung „kognitiver“ Roboter – das heißt, diese mit fortschrittlichen Planungs-, Logik- und Sensordatenverarbeitungsmöglichkeiten auszustatten – die Lösung ist. Intelligente Roboter, die mit dem Menschen zusammenarbeiten Im Gegensatz zu den Vorgängermodellen kann einem kognitiven Roboter gesagt werden, was getan werden soll, ohne diesem notwendigerweise sagen zu müssen, wie dies zu bewerkstelligen ist. „Arbeitskräfte können in einer graphischen Benutzerschnittstelle Oberflächen von Werkstücken markieren, die bearbeitet werden sollen oder graphisch festlegen, an welcher Stelle große Holztafeln eingepasst und an welcher Stelle diese festgenagelt werden sollen. Das System berechnet automatisch die erforderlichen Robotertrajektorien einschließlich der erforderlichen Werkzeugänderungen und führt schließlich die Aufgabe aus“, erklärt Hägele. Die kognitiven Fähigkeiten des Roboters ermöglichen diesem, einen Prozess auf Abweichungen und Fehlerbedingungen hin zu überwachen. Der Roboter lernt aus Beobachtungen, er ergründet Fehlerursachen, er passt sich automatisch an, um den normalen Prozess zu berücksichtigen oder es sind Benutzerinteraktionen erforderlich, um je nach Bedeutung der Variation korrektive Maßnahmen durchzuführen. Das System lernt aus den Benutzerreaktionen, um die Genauigkeit seiner Botschaften sowie die vorgeschlagenen Lösungen zu verbessern. Schließlich wird dank eines „glue code“, der zwischen verschiedenen Herstellerstandards vermittelt – eine Aufgabe, die bis dato ausschließlich von Programmierexperten ausgeführt werden konnte – eine herstellerübergreifende Systemintegration ermöglicht. Die verbesserte Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine war ebenfalls ein zentrales Anliegen des Konsortiums. In einem KMU ist das Fachwissen größtenteils fachkräftegebunden. Versuche in der Vergangenheit, dieses Wissen über eine Programmierung in ein Standardrobotersystem explizit zu machen, waren von begrenztem Erfolg. „Dies kann man mit Kochen vergleichen“, meint Hägele. „Auch wenn es einfach ist, alle Zutaten für eine Mahlzeit aufzuschreiben, festzuhalten, welche Zutat zuerst und welche zuletzt hinzugegeben werden soll, die erforderlichen Quantitäten sowie Schritte und Zeiten anzugeben, ist es praktisch unmöglich, die feineren Details zu beschreiben, wie sich ein Werkstück bei guter Ausführung „anfühlt“. Der einzige Weg, etwas richtig zu lernen, geht über einen Meister“. Mit SMEROBOTICS ist der Facharbeiter der Meister und das Robotersystem der Lehrling. „Ein typischer Workflow liefe folgendermaßen ab: Das System scannt neue Werkstücke, erkennt automatisch die erforderlichen Schweißnähte basierend auf den eingespeisten CAD-Modellen oder der geometrischen Heuristik und stellt der schweißenden Person angemessene Parametervorschläge. Daraufhin wird automatisch das Schweißprogramm erstellt“, erklärt Hägele. „Die schweißende Person kann entweder über eine intuitive Benutzerschnittstelle Änderungen am Programm vornehmen oder unmittelbar eingreifen. Alle erwünschten Änderungen werden von dem System erlernt und bei nachfolgenden Aufgaben berücksichtigt. Unter Verwendung hochmoderner Lernalgorithmen kann das System zahlreiche unterschiedliche Schweißaufgaben aufzeichnen und analysieren sowie Regeln dazu erschließen, wie eine bestimmte neue Aufgabe am besten zu lösen ist. Bei dieser Zusammenarbeit wird das Fachwissen von Schweißexperten mit der konstanten Prozessqualität von Schweißrobotern kombiniert. Man könnte dies als „symbiotische Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter“ bezeichnen : Arbeitskräfte profitieren von der Stärke, Genauigkeit und Ausdauer des Roboters und der Roboter profitiert von den Erfahrungen und dem Fachwissen der Arbeitskraft“. Vom Labor auf den Markt Im Rahmen von SMEROBOTICS wurden zahlreiche Technologiekomponenten für Systemintegratoren sowie vollständige Arbeitszellen für Endbenutzerstandorte entwickelt. Die Lösungen decken die Montage, das Schweißen sowie Holzarbeiten ab. Ferner wurden über das Projekt andere typische Anwendungsfälle entwickelt, die zu acht funktionierenden Arbeitszellen sowie drei zusätzlichen Verfahren führten, welche vor Kurzem im Juni auf der Fachmesse AUTOMATICA präsentiert worden waren. Eine dieser Zellen ist „CoWeldRob“, eine Schweißzelle, welche eine Nahtschweißung vormontierter Komponenten in nur wenigen einfachen Schritten ermöglicht und welche die Produktionszeit kleiner familiärer Schweißunternehmen um den Faktor 20 bis 30 verringert. Zu weiteren Beiträgen zählt unter anderem ein zweiarmiger Roboter, der ähnlich einem menschlichen Arbeiter agiert und der zum Schweißen großer Komponenten für entsprechende Arbeiten im Bausektor verwendet werden kann; sowie eine Zelle mit Toleranzen im Mikrometerbereich, bezüglich derer Prüfungen bereits eine um 30 % niedrigere Fehlerrate bei der Spulenmontage im Vergleich zu manuellen Verfahren zeigten. Das Konsortium hat seit Beginn des Projekts eng mit interessierten KMUs zusammengearbeitet. Seit dem Ende des Projekts im Juni 2016 sucht das Konsortium nach Endbenutzern, um die Zellen in den jeweiligen Anwendungsfällen zu implementieren. Die Softwaremodule für eine intuitive Programmierung und für die Programmerstellung sind als Standalone-Versionen verfügbar und können bereits von Automations- sowie industriellen IT-Anbietern in eigenen Lösungen verwendet werden. Komponenten oder Techniken können teilweise in die Produktion von KMUs implementiert oder vollständig als Arbeitszelle integriert werden. „Es wird damit gerechnet, dass die Schweißzelle und die hydraulische Ventileinheit innerhalb der kommenden zwölf Monate in kommerzielle Produkte verwandelt werden. Ähnliche, wenn auch weniger konkrete Pläne bestehen für das Schweißsystem mit zwei Armen und für manche der im Zuge des Projekts entwickelten Softwaredienste“, erklärt Hägele abschließend.
Schlüsselbegriffe
Robotik, SMEROBOTICS, KMUs, Herstellung, Produktionsprozess