Querschnitt 21 / Februar 2007 - h_da: Hochschule Darmstadt

Querschnitt 21
ProgrAmmierung kooPerierender
robotersysteme – kooPerierende
robotersysteme stellen eine
innoVAtiVe Fertigungstechnologie dAr,
deren ProgrAmmierung zunehmend
komPlexer wird.
autor •
Prof. Thomas Horsch
Fachbereich informatik
Abbildung 1 • Prototypische realisierung einer Kooperation von vier robotersystemen
Der Begriff kooperierende robotersysteme hat je nach Betrachtung
unterschiedliche Bedeutung. Im Bereich mobiler serviceorientierter
Systeme versteht man unter kooperierenden
Systemen einen Verbund unabhängiger roboter, die gemeinsam
ein Problem lösen, wobei die Kommunikation, Koordination
und gegenseitige unterstützung bei der Auswertung von
Sensorinformation im Vordergrund steht. Kooperation im industriellen
umfeld bedeutet die gemeinsame Durchführung einer
Bearbeitungsaufgabe mit mehr als einem robotersystem.
Dieser Artikel konzentriert sich auf die Programmierung von
industriellen robotersystemen. Deren einsatz ist motiviert
durch mögliche Produktivitätssteigerungen. ein typisches Beispiel
stellt eine kooperative Aufgabe mit zwei robotersystemen
dar, wobei ein roboter das Werkstück hält und es bereits
transportiert, während der andere es bearbeitet. Hierdurch
wird die Zykluszeit einer Bearbeitung reduziert. ein weiterer
und nicht unwesentlicher Aspekt stellt die Möglichkeit dar,
durch kooperierende roboter mehr Arbeitsprozesse zu bewältigen
und somit für die gleiche Leistung weniger Fertigungsfläche
zu benötigen.
In der Diskussion zu diesem Trend ist die Programmierung
für kooperierende roboter bisher zu kurz gekommen, gleichwohl
erste Konzepte zur unterstützung für Bediener bereits
entwickelt werden. Denn für den Bediener stellt es sich als
sehr komplexe Aufgabe dar, mithilfe eines Programmierhandgerätes
im sogenannten Teach-In Betrieb solche Systeme zu
programmieren. es gibt zwar Lösungen, die es ermöglichen,
eine robotergruppe und das gleichzeitige Verfahren mehrerer
kooperierender roboter über ein gemeinsames Bediengerät zu
steuern. Die Synchronisierung der roboter bleibt ein schwieriges
unterfangen und der Test und die Feinabstimmung sind
sehr zeitintensiv. Daher macht es Sinn, die Bewegungsvorgabe
zu einem gewissen Grad automatisiert zu erzeugen.
Derzeitige Initiativen, die solche Technologien vorantreiben,
kommen in erster Linie aus der Automobilindustrie. So hat
Daimler-Chrysler mit dem Projekt Kooperierende roboter
(KIr) erste erfolgreiche Schritte in die Implementierung dieser
innovativen Produktionstechnologie in der konkreten Anwendung
einer Punktschweißaufgabe unternommen. Solche Aufgaben
sind charakterisiert durch sogenannte Punkt-zu-Punkt
(PTP) Bewegungen, deren Ausprägung zwischen programmierten
Punkten nicht weiter festgelegt ist.
einige roboterhersteller haben bereits Lösungen für solche
Aufgaben entwickelt. Hierbei wird in der regel ein Master-
Slave Verfahren eingesetzt. ein roboter (der Master) gilt als
Hauptroboter, an dem sich die weiteren beteiligten roboter
„orientieren“. Solche Verfahren sind somit durch einen roboterzentrierten
Lösungsansatz gekennzeichnet.
Betrachtet man bahnorientierte Aufgaben, wie z. B. Bahnschweißen,
Klebeauftrag, Nahtabdichten, stossen roboterzentrierte
Ansätze an ihre Grenzen. Idealerweise betrachtet
man insbesondere solche Anwendungen prozesszentriert, d.h.
eine Bearbeitungsaufgabe wird über ein Werkstück definiert.
Prozessbeschreibungen durch Geometrie- und Technologiedaten
sowie eine möglicherweise gleichzeitige Bewegung des
Werkstücks werden roboterunabhängig festgelegt.
Sind diese Vorgaben definiert, so kann in einem zweiten Schritt
diese Aufgabe auf die beteiligten Systeme und deren Freiheitsgrade
„optimal“ verteilt werden. Setzt man bei einzelnen robotern
in der regel analytische Verfahren zur Vorwärts- und
rückwärtstransformation (Abbildung von Gelenkkoordinaten
in kartesische Koordinaten des TCP’s und umgekehrt) ein, so
muss man bei kooperierenden Systemen auf numerische Lösungsmethoden
zurückgreifen.
Die Kooperationsbedingungen werden über geschlossene kinematische
Ketten modelliert (Abbildung 2) und in Form von
Gleichungen und ggfs. ungleichungen dargestellt. Zudem
definiert eine sogenannte virtuelle Kinematik das Bearbeiten
in Vorzugslage. Der Begriff virtuell deutet an, dass diese
Kinematik nicht existiert, jedoch eine Möglichkeit darstellt,
Vorzugslagen zu modellieren. Diese virtuelle Kinematik definiert
die Bewegung des Werkstücks. Mit diesem Ansatz ist
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Roboter 1
Basis Roboter 1
Weltkoordinatensystem
virtuelle Kinematik
TCP 1
Abbildung 2 • Modellierung kooperierender robotersysteme über geschlossene kinematische Ketten
Werkstück
Basis Roboter 2
TCP 2
Roboter 2
Projektberichte