Der flächendeckende Einsatz intelligenter mobiler Roboter bietet der Industrie zukünftig die Chance auf einen nachhaltigen Innovationsschub. Neue, agile Produktionsmethoden und Fabrikdesigns wären möglich. Assistenzroboter und untereinander vernetzte und kooperierende flexible Robotersysteme könnten vielerorts auch zusammen mit dem Menschen arbeiten. Sie würden die Mitarbeitenden auch außerhalb von Produktion und Logistik, etwa in der Pflege oder in Dienstleistungsbereichen bei schweren und ermüdenden Tätigkeiten oder bei Aufgaben mit besonders hohem Präzisionsanspruch entlasten. Doch bisher haben sich mobile Assistenzroboter im industriellen Umfeld nicht durchsetzen können. Eine wesentliche Herausforderung ist die vielseitige Einsatzmöglichkeit des Roboters für unterschiedlichste Tätigkeiten ohne bzw. mit minimalem Programmieraufwand. Zudem sind heutige Systeme zu langsam, um nur ansatzweise menschenähnliche Fähigkeiten, z.B. bei der Objekterkennung und -handhabung, aufzuweisen. Die Lösung bestünde in drahtlos vernetzten, verteilten Steuerungssystemen.

Besonders für Aufgaben mit mobiler Manipulation, also der freien Bewegung und Handhabung verschiedener Objekte, müssen die Roboter aber in der Lage sein, ihre Umwelt kontinuierlich wahrzunehmen und sich selbstständig an eine sich dynamisch verändernde Umgebung unmittelbar anzupassen. Für diese eigenständige Planung von Handlungen und Bewegungen, die Erfassung und Auswertung unterschiedlichster Sensordaten und die Verwertung umfangreicher Datenmengen ist eine spezielle Software notwendig. Diese »intelligente« Robotik ist die Basis für vielfältige Anwendungen außerhalb der klassischen Automatisierung und für die Gestaltung hochflexibler Automatisierungslösungen.

Forschern gelingt erstmalig Montage in der Fließfertigung mit mobilem Roboter

Einem Team aus Robotikexperten des Fraunhofer IFF und Partnern aus Industrie und Forschung ist es gelungen, die damit verbundenen Herausforderungen zu überwinden. Im Rahmen des Forschungsprojekts »fast robotics« der vom BMBF geförderten Initiative »zwanzig20« haben sie eine Lösung aus drahtlos vernetzten, verteilten Steuerungssystemen entwickelt, die eine dezentrale Echtzeitsteuerung intelligenter mobiler Robotersysteme gestattet.

Ihr neuer Ansatz beruht seitens der Softwaresysteme auf einer Transformation der bisher streng hierarchisch organisierten Automatisierungspyramide hin zu einem hochgradig vernetzten System. Zudem haben sie Assistenzroboter mit intelligenten Grundfertigkeiten ausgestattet, die sich nur im Zusammenspiel von vernetzten, ausgelagerten IT-Diensten auf leistungsfähiger Rechentechnik realisieren lassen. Die dafür notwendige Hard- und Software haben die Ingenieure des Fraunhofer IFF, das seit Jahren erfolgreich an intelligenten mobilen Robotern forscht, selbst entwickelt.

Prof. Norbert Elkmann ist Leiter des Geschäftsfelds Robotersysteme am Fraunhofer IFF und Koordinator des Projekts »fast-robotics«: »Unser Ziel war es, mit leistungsfähiger Funktechnologie eine drahtlose Echtzeitkommunikation zwischen dezentralen, mobilen Roboteranwendungen und der sie umgebenden Infrastruktur umzusetzen. Die notwendige Rechentechnik kann nun auf externe Server auslagert und Kernfunktionen des Roboters wie die Sensordatenverarbeitung und Bewegungsgenerierung über Cloudlösungen bereitgestellt werden. Für die Demonstration haben wir uns bewusst für das sehr anspruchsvolle Szenario »Montage im Fließbetrieb« entschieden. Es hat eine weit höhere Komplexität als bei stillstehenden Objekten und unterstreicht die Leistungsfähigkeit und Praxistauglichkeit der Entwicklungen.«

Um ihr Ziel zu erreichen, haben die Forschenden den gesamten Prozess der Informationsübertragung zwischen den Teilnehmern eines solchen Netzwerks neu denken und gestalten müssen. Christoph Walter, Projektleiter am Fraunhofer IFF, erläutert: »Unter anderem konnten wir so die statistische Zuverlässigkeit und das Antwortverhalten von drahtlosen Kommunikationskanälen sowie Clouddiensten verbessern. Außerdem haben wir anwendungsspezifische Fehlertoleranzstrategien für die Kontrolle der Roboter entwickelt. Auf dieser Grundlage ist eine neue Roboterkontrollarchitektur entstanden, welche auf der Vorberechnung relevanter Handlungsvarianten zur Laufzeit basiert und damit schnelle Reaktionszeiten mit höherwertigen Erkennungs- und Planungsfunktionen verbindet.«

Im Ergebnis können nun mobile und auch stationäre Roboter mit Hilfe einer Funk-Infrastruktur in Echtzeit drahtlos überwacht, lokalisiert, konfiguriert und gesteuert werden. Das vereinfacht auch die Integration externer Sensoren, beispielsweise stationärer Kameras zur Kontrolle der Roboterumgebung und darauf aufbauender Dienste. Außerdem können leichtere und flexiblere mobile Roboter und Manipulatoren gebaut werden, da diese nicht mehr ihre gesamte Rechentechnik und Energieversorgung mit sich führen müssen. Es ist nun die Entwicklung völlig neuer Robotersysteme für die Industrie und für Branchen möglich, in denen Assistenzroboter mangels Leistungsfähigkeit bisher noch nicht einsetzbar waren.