AT-Mitteilung

Mensch-Roboter-Kooperation – Spielend leicht

Ein Aspekt von Industrie 4.0 ist die Veränderung von Arbeitsprozessen durch den Einsatz kooperierender Roboter. Wir haben es ausprobiert.

Ein Teil der akademischen Ausbildung im Studiengang Bachelor Elektrotechnik mit der Vertiefungsrichtung Automation & Robotik ist die Durchführung einer Fallstudie. Für Studierende, die sich im Besonderen für die Industrierobotik interessieren, ist die Bearbeitung einer praktischen Projektaufgabe aber nicht ganz einfach. Dies liegt an mehreren Herausforderungen.

Zum einen sind Industrieroboter durchaus komplexe Anlagen, deren Anlagentopologie und Funktionsweise zunächst einmal verstanden werden will. Darauf soll die Vorlesung Roboter- und Manipulatortechnik von Professor Engels die Studierenden vorbereiten. In der Vorlesung wurde der neueste Roboter im letzten Semester live vorgeführt, aber das selbstständige Arbeiten mit der Anlage ist für die Studierenden dann nochmals eine intensivere Erfahrung.

Des Weiteren sind Industrieroboter beim praktischen Versuch nicht so ohne weiteres begreifbar. Das bedeutet, dass diese im Allgemeinen in einer Roboterzelle verbaut sind, die beim Betrieb der Anlage nicht zugänglich sein darf. Interaktive Handlungen, wie beispielsweise das Abnehmen eines Werkstücks, das am Greifer hängt, sind schlecht möglich. Das Arbeiten benötigt also Zeit und wenn effektiv gearbeitet werden soll, dann müssen nicht immer einfach vorhersagbare Probleme bei Bewegungsführungen vorher gut durchdacht werden. Dies erlernt der Anlagenbediener erst durch den praktischen Umgang.

Und letztlich sind Industrieroboter, um es salopp auszudrücken, etwas sperrig im Umgang. Die Ergonomie von Bediengeräten ist in den letzten Jahren durch moderne Mensch-Maschine-Schnittstellen (Man-Machine-Interface - MMI) zwar deutlich besser geworden, aber ein intuitiver Gedanke zu einer Bewegung erfordert dann doch manchmal ein unkonventionelles Drücken unterschiedlicher Tasten auf dem Bediengerät.

Der neu im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik beschaffte Industrieroboter vom Typ Universal Robots UR3, bietet durch seine werksseitig eingebaute Sicherheitstechnik und das moderne  Bediengerät eine deutlich besserer Useability bzgl. der drei oben genannten Aspekte.

Genau diese Eigenschaften haben die beiden Studierenden Simon Reimund und Normann Kreß im Rahmen ihres Fallstudienprojektes ausprobiert, eine praktische Anwendung entwickelt und mit viel Engagement umgesetzt. Als Ausgangspunkt für die Anwendung wurde das bekannte Gesellschaftsspiel Mühle – im Englischen Nine Men’s Morris – gewählt. Darauf aufbauend wurde eine Anlagenarchitektur entworfen, die es einer SPS-Applikation ermöglicht die Spielsituation über eine Sensorik zu erfassen und in Abhängigkeit dieser die Bewegung des Roboters dynamisch zu steuern.

Für die praktische Umsetzung wurde eine mechanische Konstruktion für das Spielfeld und die Spielsteine entworfen und im Labor für Automatisierungstechnik mit abtragenden und additiven Fertigungsverfahren hergestellt. Damit der Roboter die Spielsteine vom Roboter aufgenommen werden können, wurde ein Greifer entwickelt und dieser ebenfalls mit einem 3D-Drucker hergestellt. Das Spielfeld wurde mit vergrabenen Sensoren ausgestattet, die mit der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) abgefragt werden können.

Für das Softwarekonzept wurde das modulare Didaktiksystem des Labors für Automatisierungstechnik verwendet. Die verwendete Steuerung vom Typ IndraMotion MLC beherrscht diverse Feldbusse und Netzwerkprotokolle, die als Schnittstelle zum Spielaufbau und zur Robotersteuerung des UR3 programmiert wurden. Die Applikationssoftware, die mit Programmiersprachen nach IEC 61131-3 umgesetzt wurde, übernimmt die dynamische Berechnung der Bewegungskommandos für den Roboter. Damit das Spiel auch für geübte Spieler interessant bleibt, wurden unterschiedliche Spielmodi und Algorithmen für gestufte Schwierigkeitsgrade implementiert. So kann der Roboter als reiner Demonstrator gegen sich selbst spielen [1], er kann aber auch gegen eine Person spielen.

Spielend leicht ist die Umsetzung dieses Projektes sicher nicht gewesen, aber es ist leicht gegen den Roboter zu spielen – solange nicht der Optimierungsalgorithmus eingestellt ist, der einem menschlichen Spieler fast keine Chance lässt. 

Prof. Dr.-Ing. Elmar Engels

Bildquellen:

Software.png; Spielaufbau.jpg: © Elmar Engels
Steuerung.jpg: @ Hochschule Fulda / Robert Gross

[1] YouTube: externer Link < www.youtube.com/watch;