Software & Robotik Griff-in-die-Kiste-Lösung für die vernetzte Produktion

Mit dem „Griff-in-die-Kiste“ können Roboter unsortierte Werkstücke aus Ladungsträgern entnehmen und definiert ablegen. Jetzt haben die Experten des Fraunhofer IPA eine Variante der Software entwickelt, mit der das noch flexibler und effizienter geht: Das Programm steht dann als verteilte Anwendung über eine Cloud-Architektur bereit – und lässt sich so in Industrie-4.0-Architekturen integrieren.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

In nahezu jeder Produktion fällt Schüttgut an, das auch bei einem hohen Automatisierungsgrad der Anlage oft noch von Hand oder mit komplizierten mechanischen Verfahren aus Ladungsträgern entnommen und abgelegt wird. Dies ist mit Gesundheitsrisiken für den Werker verbunden, zudem entstehen dem Unternehmen Kosten, weil bisherige automatisierte Lösungen oft zu langsam und nur schwer an neue Werkstücke anpassbar sind.

Genau diese bisher fehlende Flexibilität eines automatisierten, roboterbasierten „Griff-in-die-Kiste“ bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit bietet die industrieerprobte Software bp3 (Bin Picking 3D). Entwickelt vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, wird sie laufend erweitert und lässt sich über eine intuitive Bedienoberfläche einfach bedienen. Zusammen mit Systemintegratoren wurde die Software bereits in mehrere Produktionsanlagen eingebunden, wo sie im Dreischichtbetrieb im Einsatz ist.

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Flexible Software: Komplettlösung aus einer Hand

Dabei erkennt sie sowohl die Lage der Objekte in der Kiste als auch die besten Greifpunkte. Zudem kann sie die Entnahme und damit die kollisionsfreie Bahn des Roboters berechnen. Damit die Objekterkennung schnell und zuverlässig funktioniert, werden 3D-Sensoren über der Roboterzelle oder bei Bedarf an den Greifern genutzt. Sie erzeugen eine Punktwolke des Kisteninhalts und die Software gleicht diese mit eingelernten CAD-Daten der Werkstücke ab. Ist ein Werkstück erkannt, ermittelt die Software die besten Greifpunkte und generiert die Roboterbahn zur Entnahme. Um diese prozesssicher durchzuführen, simuliert die Software den Entnahmeprozess zunächst. Dabei werden neben dem Greifer und eventuellen Zusatzachsen auch die Kinematik des Roboters selbst sowie mögliche Schutzzäune im Umfeld berücksichtigt. Je nach Greifpunkten und möglicher Weiterverarbeitung des Werkstücks passt die Software auch die Roboterbahn für die Ablage an.

Ein weiterer Vorteil der Software ist ihre Flexibilität: Sie lässt sich mit unterschiedlichen Sensoren konfigurieren, besitzt eine neutrale Schnittstelle zu praktisch allen Robotertypen und kann für unterschiedlichste Produktgeometrien rasch konfiguriert werden. Auch mit einem Zwei-Arm-Roboter haben die Experten die Software bereits eingesetzt, was die Taktzeiten noch einmal verbessert hat. Für diesen Demonstrator hat das Fraunhofer IPA im Oktober 2014 auf der Fachmesse Motek den Handling-Award erhalten.

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Mehrwert der Cloud-Architektur

Eine Variante der Griff-in-die-Kiste-Lösung lässt sich bestens in vernetzte Produktionen integrieren, mit der Unternehmen besonders flexibel und zugleich wirtschaftlich fertigen können, sodass Produzieren unter Losgröße-1-Bedingungen zunehmend machbar wird. In diesen Industrie-4.0-Szenarien agieren alle Betriebsmittel als mit Sensoren und Aktoren ausgestattete cyberphysische Systeme (CPS), die laufend Daten erzeugen und nutzen. Robotersysteme sind damit nicht mehr weitgehend autark wie bisher mit integrierter Hard- und Software sowie einem lokalen Datenbestand. Stattdessen profitieren sie von zentraler Rechenleistung und Datenhaltung.

Auch Robotersysteme für den Griff-in-die-Kiste können hierdurch ihre Vorteile noch besser ausspielen. Der Roboter agiert dann lediglich als lean client – also als schlankes System. Die aufwendigeren Berechnungen zur Objekterkennung und Entnahmeplanung werden auf einem zentralen leistungsfähigen Server durchgeführt. Dieser kann Anfragen verschiedener Roboter in kürzester Zeit bearbeiten. Dies senkt die Taktzeit und die Anlage ist besser wart- und verfügbar. Komponenten wie Sensoren, Greifer oder Roboter lassen sich leichter austauschen, wodurch die gesamte Produktion wandlungsfähiger wird.

Mittels eines Dienstekonzepts ähnlich einem „App-Store“ lassen sich auch neue Funktionen, die in der Cloud bereitstehen, schneller in die Anlage integrieren. Wird beispielsweise für den Griff-in-die-Kiste ein neues Feature wie eine verbesserte Objekterkennung oder das Ablegen in ein Härtegestell entwickelt, kann dies unmittelbar von allen an die Cloud angebundenen Robotern als Dienst genutzt werden. Der Endanwender muss gegebenenfalls nur noch bestimmte systemspezifische Parameter ergänzen, was den Integrationsaufwand deutlich reduziert.

Diese Cloud-basierte Lösung lohnt sich besonders, wenn mehrere Roboter mit dem gleichen Datenbestand, wie zum Beispiel für die Werkstücke, arbeiten. Die Daten müssen dann nur einmal zentral verfügbar sein oder ggf. geändert werden und die Robotersysteme können bei Bedarf direkt darauf zugreifen. Weitere Dienste wie das Einlernen neuer Werkstücke oder die Inbetriebnahme der Anwendung bieten zusätzlichen Bedienkomfort und lassen sich einfach anbinden.

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