Entwicklungstendenzen in der Robotik

Heinz Wörn, Universität Karlsruhe

Generell werden unter dem Begriff Robotik in mehreren Achsen bewegliche und frei programmierbare Geräte verstanden, welche mit Werkzeugen und Sensoren ausgerüstet sind und die Aufgaben in der Produktion und im Service durchführen. Während Industrieroboter heute als Standardbausteine zur Automatisierung in vielen Produktionsbereichen eingesetzt werden und eine große wirtschaftliche Bedeutung haben, stehen die Serviceroboter noch am Anfang ihrer Markteinführung und verkörpern zukünftige Chancen.


Generell werden unter dem Begriff Robotik in mehreren Achsen bewegliche und frei programmierbare Geräte verstanden, welche mit Werkzeugen und Sensoren ausgerüstet sind und die Aufgaben in der Produktion und im Service durchführen. Während Industrieroboter heute als Standardbausteine zur Automatisierung in vielen Produktionsbereichen eingesetzt werden und eine große wirtschaftliche Bedeutung haben, stehen die Serviceroboter noch am Anfang ihrer Markteinführung und verkörpern zukünftige Chancen.
Insbesondere die Automobilindustrie und deren Zulieferbetriebe, aber auch zunehmend Klein- und mittelständische Unternehmen setzen verstärkt Industrieroboter ein.
Bis Mitte der 90er Jahre war es üblich, Roboter entlang eines Transportbandes oder Shuttles anzuordnen, z.B. beim Punktschweißen. Das Shuttle transportiert das Bauteil von Station zu Station. In einer Station sind dann die Roboter seitlich angeordnet und führen z.B. Punktschweiß- oder Klebeaufgaben durch. Heutige neueste Konzepte verwenden den Roboter nicht nur als Bearbeitungsbaustein, er übernimmt auch die Transportaufgabe. Der Roboter greift das Bauteil z.B. von einer Ablagestation und legt es in eine Station, wo es z.B. von mehreren Robotern bearbeitet wird. Es wird vom einen Handhabungsroboter in die nächste Bearbeitungsstation und nach Fertigbearbeitung in die Übergabestelle gelegt. Von dort übernimmt ein weiterer Handhabungsroboter das Bauteil für die weiteren Bearbeitungsschritte.

Roboterhardware
Ganz entscheidend wurde die Indus-trieroboterentwicklung der letzten zehn Jahre von den Kosten geprägt. So kann ein drastischer Preisverfall festgestellt werden. Um in diesem Sinne wettbewerbsfähig zu bleiben, war es ein Hauptziel, die Herstellkosten zu senken.
Die Herstellkosten, das Gewicht, die Teileanzahl und die Wartung eines Roboters wurden deutlich reduziert bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit. Durch eine schlanke Konstruktion, Optimierung der Konstruktion mit FEM-Methoden und Aluminiumguss konnte das Gewicht deutlich reduziert werden, bei einer deutlich verringerten Teileanzahl.
In den letzten Jahren wurde neben der Herstellkostenreduktion eine kontinuierliche Verkleinerung der Schaltschränke und damit der Stellfläche erreicht. Die Schaltschränke beinhalten die Logikeinheit, die Bedienungselemente, den Verstärker sowie die Sicherheitsschaltkreise. Insbesondere die stetige Verkleinerung und Integration der Halbleiterbauelemente für die Logikelemente sowie für den Verstärker haben dies ermöglicht.
Aus heutiger Sicht können bei Robo-tersteuerungen zwei prinzipielle Hard-warearchitekturen unterschieden werden. Auf der einen Seite sind die Robo-tersteuerungen als Mehrprozessorsystem mit parallelem Mehrprozessorbus aufgebaut. Einer der bekanntesten Vertreter ist die VME-Bus-basierte Steuerung. Ein Nachteil dieser Architektur in Bezug auf die Kosten sind die relativ kleinen Stück-zahlen der Komponenten. Das offene und modulare Buskonzept kann nicht mehr weiter vereinfacht werden. Jeder neue Prozessor erfordert die Neuentwicklung einer neuen Zentraleinheit.
Diese Nachteile existieren nicht bei einer PC-basierten Lösung. Bei Stück-zahlen von bis zu eine Million Platinen können diese zu äußerst niedrigen Preisen gekauft werden. Der größte Vorteil von PCs ist das einfache Aufrüsten auf eine neue Prozessorgeneration, die keinerlei Neuentwicklung erfordert.
Für die Hardware einer Robotersteuerung müssen lediglich einige wenige Karten vom Roboterhersteller entwickelt werden und über den standardisierten PCI-Bus in den PC integriert werden, z.B. eine Karte für die Kopplung der Verstärkerelektronik und der Wegmesssysteme sowie eine Karte für die Ankopplung des Programmierhandgerätes. Der Trend geht zu PC-basierten Steuerungen.
Heutzutage sind die Steuerungen, Leistungsendstufen, Ein-/Ausgabeeinheiten sowie die Sicherheitstechnik in einem Schaltschrank integriert. Aus diesem Grund muss die Steuerung über zwei Kabel mit vielen Leitungen an den Roboter angeschlossen werden. Dies führt zu hohen Verbindungskosten. Zur Reduzierung dieser Kosten wurde in einem Forschungsprojekt die Serverelektronik und der Verstärker direkt in den Antrieb integriert. Ein Servobus führt dann von der Robotersteuerung direkt zu den einzelnen dezentralen Antriebs-einheiten in den Gelenken des Roboters. Der Trend der nächsten Jahre wird dahin gehen, die Elektronik stärker in die Mechanik zu integrieren.

Robotersoftware
Für Industrieroboter sind schnellste, die Mechanik schonende Verfahren gefordert. Als Standard in der Bewegungsführung werden heute die Punkt-zu-Punkt-, Linear- und Zirkularinterpolation verwendet. Moderne Robotersteuerungen beinhalten bereits die Spline-Interpolation und ein höheres ruckbegrenztes Fahrprofil sowie eine über mehrere Sätze vorausschauende Look-ahead-Funktion.
Das Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik (IPR) arbeitet zurzeit an der Integration einer kollisionsfreien Bahnplanung mit Umweltmodell in eine Robotersteuerung. Die Raumpunkte werden heute vorwiegend manuell durch Anfahren und Abspeichern eingegeben. Der Roboterprogrammierer muss darauf achten - durch Programmieren von Umfahrpunkten -, dass keine Kollision des Roboters mit der Umgebung oder dem Werkstück auftritt. Dann muss er am Roboter iterativ und zeitintensiv weg- und zeitoptimale Bahnen erzeugen. Während dieser Zeit steht die Anlage. Um dies zu verhindern, wurde am Institut eine erste Version eines weitgehend automatisch arbeitenden Bahnplanungsverfahrens entwickelt. Das führt zu einem intelligenter Roboter, der autonom oder automatisch von einem gegebenen Startpunkt und den gegebenen Werkstückpunkten eine kollisionsfreie Bahn plant. Zur Überprüfung auf Kollision müssen die Hindernisse in grober Form, z.B. durch Anfahren von wenigen Punkten vor Ort oder durch vereinfachte CAD-Modelle  modelliert sein.
Der am IPR entwickelte Planer basiert auf dem A*-Algorithmus und arbeitet in einem diskretisierten Roboterkonfigurationsraum, der durch die Gelenke des Roboters aufgespannt wird. Beginnend mit dem Startpunkt werden in jedem Iterationsschritt alle möglichen Nachfolgepunkte generiert und bewertet und zurzeit derjenige mit dem kürzesten Weg zum Ziel ausgewählt. Dann erfolgt der Test auf Kollisionsfreiheit. Dieser wird mithilfe einer hierarchischen Abstandsberechnung im kartesischen Arbeitsraum vorgenommen.

Bedienung und Programmierung
Ein sehr wichtiger Bereich, der im besonderen Interesse des Anwenders steht, ist das Bedienen und Programmieren des Roboters. Einfachste Bedienung und Programmerstellung werden gefordert.
Durch Einfluss der PC-Technologie setzen sich mehr und mehr die im Bürobereich angewendeten Bedien- und Programmiertechniken durch. Grafische, Icon-basierte Bedienoberflächen, die multimedial, z.B. durch Videos und Sprachein-/-ausgabe unterstützt werden, werden zurzeit entwickelt. Hier ist die Windows-Orientierung als Standard wie bei den Betriebssystemen im Bürobereich die Basis. Allerdings müssen für den realen Produktionsbetrieb angepasste Eingabemedien eingesetzt werden, z.B. robuste Folientastaturen und Touchscreens.
In der Forschung werden heute das Programmieren durch Vormachen oder Spracheingabe bzw. die haptische Eingabe untersucht. Am IPR wird ein Verfahren entwickelt, mit dem teilweise automatisch in der virtuellen Welt programmiert werden kann. Gegeben sind Geometriemodelle des Roboters, seiner Werkzeuge und der Vorrichtungen. Ebenfalls ist das Bauteil als CAD-Modell gegeben, an dem Position und Bahnen definiert sind. Ein erster Algorithmus kann jetzt z.B. die zeitoptimale Reihenfolge aller anzufahrenden Punkte ermitteln. Ein zweiter Algorithmus bestimmt auf Basis des gegebenen Modells eine kollisionsfreie Bahn.
Auf Basis dieser Algorithmen werden zurzeit neue Verfahren für innovative Offline-Programmierung entwickelt. Mit neuen haptischen Eingabegeräten soll eine intuitive Modellierung einer Roboterzelle, z.B. mit virtuellen Wänden und virtuellen Schutzräumen, sowie eine intuitive Punkt- und Bahneingabe möglich sein. Automatisch werden dann zeit- und wegoptimale kollisionsfreie Bahnen geplant.

Bild 1: Intelligenter Roboter mit Sensordatenverarbeitung.

Intelligente Roboter mit Sensoren
Durch die Kostensenkung und durch den Einsatz neuester Technologien konnte eine deutliche Steigerung des Robotereinsatzes erreicht werden. Eine weitere deutliche Erweiterung des Anwendungsgebietes von Robotern wird in Zukunft durch intelligentere Roboter mit mehr Autonomie und Sensoreinsatz erwartet.
In der zweiten Hälfte der 80er und Anfang der 90er Jahre wurden bereits pilotartig visuelle und taktile Sensoren eingesetzt. Lediglich bei wenigen Prozent der heute installierten Roboter sind jedoch komplexere Sensoren eingesetzt. Dies liegt daran, dass diese bisher zu kompliziert anzuwenden, zu programmieren und einzustellen sind. Die Auswertung der Sensordaten wird heute in der Regel jedes Mal neu auf die Applikation zugeschnitten. Deswegen entsteht für jede neue Applikation oder neuen Sensor ein hoher Entwicklungs- und Projektaufwand. Voraussetzungen für einen effizienten Sensoreinsatz sind universelle Sensorschnittstellen (Bild 1).
Eine solche universelle Schnittstelle wurde am IPR in Zusammenarbeit mit Roboter- und Sensorherstellern ent-wickelt. Sie wird zurzeit in mehreren Beispielapplikationen erprobt. Im Kommissionierbetrieb, z.B. im Versandhandel oder der Postautomatisierung, müssen eine Vielzahl von unterschiedlichen Objekten, die ungeordnet auf einem Haufen liegen, gehandhabt und geordnet, z.B. auf Paletten, in Behältern oder auf Transportbändern abgelegt werden. Dies ist mit heutigen Robotern nicht möglich.
Ein Kommissionierroboter der diese Aufgabe erfüllen kann, muss mit einem Sensorsystem die Objekte und deren Lagen erfassen und über geeignete Greifer die vielen unterschiedlichen Objekte greifen und selbstständig Greiferstrategien generieren können. Für den Einsatz im Versandhandel wurde ein entsprechendes Greifersystem bestehend aus Backengreifern mit verschiedenen Öffnungsweiten, Sauggreifern sowie Winkelgreifern entwickelt [2].
Wenn mehrere Objekte aufeinander liegen, dann ist ein 3D-Bild der Szene erforderlich, um daraus die Objektformen und -lagen zu entnehmen. Zur Erfassung des Objekthaufens wird eine Laserdiode, deren Licht linienförmig projiziert wird, über die Szene, den Objekthaufen, bewegt. Zwei Hochgeschwindigkeitskameras erfassen den Laserlichtstreifen und erzeugen ein Tiefenbild. Daraus identifiziert die Sensordatenverarbeitung zu greifende Objekte. Falls das Bilddatenverarbeitungssystem kein zu greifendes Objekt eindeutig identifizieren kann, führt der Roboter autonom Schiebeversuche mit dem Ziel durch, die Objekte mit einer neuen Greifstrategie zu greifen.
Die zuverlässige Objektentnahme setzt neben einer leistungsfähigen visuellen Sensorik die Online-Überwachung des Entnahmevorgangs selbst voraus. Kritische Situationen ergeben sich, wenn die Gegenstände verklemmt bzw. verhakt sind und somit benachbarte Objekte unbeabsichtigt mit anheben, oder wenn sie während des Anhebens aus dem Greifer rutschen bzw. mit anderen Objekten kollidieren. Zum Erkennen und zur Vermeidung solcher Situationen werden Kraft-Momenten-Sensoren im Handgelenk des Roboters und taktile Sensoren in den Greiferfingern eingesetzt.
Ein weiteres Beispiel ist ein intelligenter Roboter für das Testen von Sitzen [3]. Er ersetzt teure Spezialmaschinen und imitiert menschliche Hinsetz- und Aufstehbewegungen. Hierzu wurden ein Dummy und eine 6D-Kraftmessdose an die Roboterhand zur Aufbringung und Messung der Hinsetz- und Aufstehbewegungen angebracht. Über eine nachgiebige Kraftregelung wird die Roboterbewegung gesteuert. Aufgrund des Verschleißes wird die Sitzfläche nachgeben und ihre Position verändern. Dies berücksichtigt die nachgiebige Regelung automatisch, da der Roboter den Dummy solange bewegt und in den Sitz drückt, bis die Sollkräfte erreicht sind. Damit ist ein intelligenter adaptiver Roboter verwirklicht. Die Sollkräfte und Sollbahnen werden gewonnen, indem eine verkabelte Testperson sich in den mit einer Sensormatte versehenen Sitz setzt; dabei werden die Bewegung der Testperson mit einer Kamera und die Kraftverteilung auf dem Sitz gemessen.

Serviceroboter
Serviceroboter stehen noch am Anfang ihrer Markteinführung und verkörpern zukünftige Marktchancen. Klassische Serviceroboter werden seit Mitte der 80er Jahre entwickelt, z.B. für Reinigungsaufgaben, Hol- und Bringdiens-ten wie von Post-, Büromaterial, Abfall sowie Überwachungen. Im Gegensatz zum klassischen Industrieroboter handelt es sich hierbei um autonome Geräte, die mit Sensoren ausgestattet sind und sich in einer unbekannten Umwelt bewegen können. Dabei können sie die Umwelt z.B. mit Ultraschalllaser und -kamerasensoren erfassen, Landkarten aufnehmen und eine kollisionsfreie Bahnplanung durchführen. Der Serviceroboter “Help Mate”wurde in den USA im Krankenhaus ca. 70-mal für den Transport von Medikamenten, Essen und Wäsche eingesetzt. Der Serviceroboter Info-Mobil wurde vom IPA Stuttgart entwickelt und kann einen Besucher durch ein Museum führen. Der Besucher kann die ihn interessierenden Exponate am Bedienfeld des Roboters eingeben. Daraufhin führt dieser ihn auf kürzestem Wege durch das Museum. Transportroboter sollen zukünftig im Hotel den Koffer sowie Essen und Getränke zum Zimmer transportieren.
Ein Serviceroboter für den häuslichen Bereich soll z.B. älteren Menschen als Helfer für Hol- und Bringdienste dienen. Er kann an die Einnahme von Medizin erinnern und neben der Versorgung mit Essen und Trinken kann er Notfallmeldungen absetzen und Kontakt mit medizinischen Versorgungsstellen aufnehmen.

Humanoide Roboter
Zum Abschluss soll ich noch auf humanoide Roboter, eine in Deutschland noch junge Forschungsrichtung eingegangen werden.
Humanoide Roboter sollen eine menschenähnliche Gestalt haben, also Beine, Rumpf und Kopf und sollen menschenähnlich agieren können. Sie sollen einfach belehrbar sein und mit dem Menschen bei Produktions- und Serviceaufgaben zusammenarbeiten können. In Japan gibt es schon seit den 80er Jahren diese Forschungsrichtung. Großes Aufsehen hat der von der Fa. Honda entwickelte Roboter ASIMO erregt, der im Jahre 2000 als Demonstrator vorgestellt wurde. Dieser Roboter soll kurzfris-tig für Serviceaufgaben und mittel- bis langfristig als Partner des Menschen in Produktion und Serviceaufgaben eingesetzt werden.

Bild 2: Menschenähnliche Hand - SFB588.

Seit Mitte 2001 gibt es an der Universität Karlsruhe einen Sonderforschungsbereich, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. Ca. 25 Wissenschaftler arbeiten hier interdisziplinär zusammen. Ziel ist es, die Grundlagen für humanoide Roboter zu entwickeln, welche mit dem Menschen kooperieren und vom Menschen lernen können, und die z.B. im Haushaltsbereich eingesetzt werden können. Ganz wesentlich ist die Entwicklung von multimodalen Schnittstellen. Der Roboter soll sehen, fühlen, sprechen und hören können. Er soll durch Mimik und Gestik belehrt und kommandiert werden können. Ein weiterer wichtiger Punkt ist das Kooperieren mit dem Menschen über sensorbasierte multimodale Schnittstellen durch Wissen, Regeln und Fertigkeiten.
Das IPR befasst sich zum einen mit der Kooperationsthematik, zum anderen wird zusammen mit Professor Bretthauer vom FZK eine anthropomorphe Hand entwickelt (Bild 2). Hier soll die Erfahrung zur Steuerung einer Metallhand mit vier Fingern in die Entwicklung einer neuen pneumatisch angetriebenen menschenähnlichen Hand einfließen. Außerdem wird für den humanoiden Roboter eine intelligente Haut entwickelt, welche mithilfe von Sensoren Kollisionen erkennen soll und langfristig neben Oberflächensensitivität auch Tiefensensitivität verwirklichen soll.
 

Schlüsselwörter:

Industrierobotik, Servicerobotik

Literatur:

[1] Wörn, H., Müller, M.: Autonomous Robotic System for Commission Tasks. In: ISR 2001. Seoul 2001.
[2] Wörn, H., Fischer, T., Müller, M., Rembold, D.: Object Handling with a Robot System using Various Grippers. In: Pagello, E, et al. (Eds.): Intelligent Autonomous Systems 6. Venedig 2000, pp. 395-401.
[3] Beeh, F., Längle, T., Wörn, H., O’Bannon, T., Lentz, J., Schnoor, B.: Occubot VI - Industrieroboter als intelligentes Sitztestsystem. In: VDI Berichte Nr. 1552, Berlin 2000, S. 23-27.