Mobile Roboter

Andreas Mühlbauer,

Gemeinsam stark

Das Institut für Montagetechnik der Universität Hannover arbeitet an der Kollaboration mehrerer mobiler Roboter zur Montage von Großbauteilen.

Zwei autonome mobile Roboter (Typ: MiR 100/200) beim Transport eines Konstruktionsprofils. © match

Robotergestützte Automatisierung kann sehr teuer sein. Je nach Anwendung müssen heutzutage von 100.000 bis über 500.000 Euro für eine moderne Roboterzelle veranschlagt werden. Dabei wird nur ein vergleichsweise kleiner Teil für die eigentliche Armstruktur aufgewandt. Etwa zwei Drittel der Kosten fallen in der Regel für Peripherie, wie Montagevorrichtungen, Transportbänder und Schutzzäune sowie Greifer oder Werkzeuge an. Derart hohe Kosten sind besonders problematisch, wenn es sich um eine hochspezialisierte Anlage handelt, welche nur schwach ausgelastet wird. Ein naheliegender Lösungsansatz ist die Verwendung von weniger spezialisierten, universelleren Robotern. Im Bereich der stationären Roboter ist dies jedoch nicht ohne Weiteres möglich, da sich nur eine gewisse Menge an Peripherie im Arbeitsbereich des Roboters unterbringen lässt und weil die verschiedenen Anforderungen der unterschiedlichen Prozesse selten wirtschaftlich von nur einem Roboter erfüllt werden können.

Mobile Roboter sichern Wirtschaftlichkeit und Flexibilität

An dieser Stelle soll die mobile Robotik Abhilfe schaffen. Mobile Roboter können sich flexibel durch die Produktion bewegen und haben somit einen nahezu unbegrenzten Arbeitsraum. So reduzieren sie gleichzeitig den Bedarf nach Zuführ- und Transporteinrichtungen. Ein weiterer Vorteil von mobilen Robotern ist, dass mehrere Roboter zusammenarbeiten können. Im Rahmen des Forschungsbaus SCALE – Skalierbare Produktionssysteme der Zukunft – entwickelt das Institut für Montagetechnik (match) hierzu Methoden, damit mehrere mobile Roboter zusammen die Aufgabe eines größeren Roboters erledigen können. Durch diese Zusammenarbeit mehrerer universell einsetzbarer kleiner Robotereinheiten können diese Aufgaben ausführen, die für eine einzelne Einheit unmöglich wären. Dabei werden immer so viele mobile Roboter kombiniert, wie für die jeweilige Aufgabe erforderlich sind. Hierdurch sind die sogenannten Multirobotersysteme äußerst eigenschaftsvariabel und sehr gut skalierbar.

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Der Forschungsschwerpunkt des match in der mobilen Robotik liegt in der Lösung anwendungsbezogener Problemstellungen in den Bereichen Programmierung, Steuerung und Regelung sowie in der Aufgabenplanung und -verteilung. Eine besondere forschungsseitige Herausforderung ist der Freiheitsgrad des Gesamtsystems sowie die damit einhergehende Komplexität in der Modellierung und Identifikation. Zusätzlich zu der mobilen Roboterplattform, welche sich bereits frei im Raum bewegen kann, verfügt jede mobile Einheit zusätzlich noch über einen Manipulator mit sechs oder sieben Gelenken. Greifen mehrere sogenannte mobile Manipulatoren, wie in den Abbildungen dargestellt, an einem gemeinsamen Objekt an, müssen alle Antriebe beider Roboter exakt auf einander abgestimmt bewegt werden.

Ohne die exakte Koordinierung aller Antriebe kommt es zu Spannungen im Objekt sowie in den Robotern, welche eine mechanische Beschädigung auslösen können. In Anbetracht dessen ist es eine besondere Herausforderung, dass die Kommunikation zwischen den mobilen Plattformen drahtlos erfolgen muss, um die Autonomie und Flexibilität der individuellen Roboter zu wahren. Das match forscht aus diesem Grund an der Verwendung von 5G-Kommunikation, um den Datenaustausch mit möglichst geringer Latenz durchführen zu können. Außerdem werden Verfahren entwickelt, um auftretende Fehler und daraus resultierende Bauteilspannungen frühzeitig zu erkennen und durch ein nachgiebiges Verhalten des Manipulators abzufedern.

Präzise Prozessplanung

Ebenso wichtig wie die Regelung der Manipulatoren ist die korrekte Planung des Prozessablaufs. Dabei ist insbesondere zu bestimmen, welche Roboter, wie viele und in welcher Anordnung zum Einsatz kommen sollen. Anzahl und Anordnung entscheiden wesentlich über die Verteilung der Gewichts- und Prozesskräfte auf die einzelnen Roboter. Die Bestimmung der optimalen Anordnung muss dabei etliche Randbedingungen berücksichtigen. Zum einen muss beachtet werden, an welchen Stellen die vorhandenen Greifer das Bauteil überhaupt greifen können. Zum anderen müssen Kollisionen zwischen den Robotern vermieden werden.

Neben den genannten Problemstellungen befasst sich das match auch mit ganz allgemeinen Problemen der mobilen Robotik wie Lokalisierung und Bahnplanung. Somit deckt das Institut ein Großteil der industriellen mobilen Robotik sowohl forschungsseitig als auch anwendungsbezogen ab.

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