Über Sensorsoftware und Kamera gesteuerter Greifer (Bildquelle: alle Rovi)

Über Sensorsoftware und Kamera gesteuerter Greifer. (Bildquelle: alle Rovi)

Die Idee für eine kamerabasierte Sensorsoftware für intelligente Roboter entstand aus einer Doktorarbeit. Inspiriert von der Beobachtung, wie Roboterstaubsauger absichtlich und wiederholt auf Hindernisse für die taktile Kartierung stoßen, hat Dr. Nicolas Alt im Zuge seiner Promotion einen taktilen Sensor für mobile Roboterplattformen entwickelt. Der Sensor bestand aus einem einfachen Schaumstoffbalken, der von einer bereits vorhandenen Kamera am Roboter beobachtet wird und gleichzeitig als weicher Stoßfänger dient.

Das gleiche Konzept gilt auch für die taktilen Sensoren, die das von Dr. Alt und zwei weiteren Forschern der TU München gegründete Start-up Robot Vision (Rovi, München) an den Fingern von Greifern angebracht hat. Dr. Clemens Schuwerk, Control Engineering, Marketing and Sales beim Start-up Rovi, erläutert: „Das Konzept der Verwendung einer externen Kamera haben wir um die Kombination mit passiven Elementen erweitert, um weitere Sensoren, wie Kraft-Momentensensoren und Winkelsensoren, für Roboter zu bauen.“ Alle drei Sensorkonzepte sind patentiert oder zum Patent angemeldet.

Prinzip der Sensorsoftware-Technologie

Die Sensorsoftware ersetzt komplexe hardwarebasierte Sensorsysteme und ermöglicht Robotern quasi das Fühlen durch Sehen. Die technische Innovation umfasst die robuste Messung von Gelenkstellungen, Positionen, Greifkräften, Kontaktprofilen und anderen taktilen beziehungsweise haptischen Kontaktinformationen durch Bildverarbeitung und extern um den Arm oder am Greifer angebrachten Kameras.

Dieses neuartige Sensorkonzept lässt sich mit einer Analogie zum Menschen anschaulich erklären: Mit geschlossenen Augen kann ein Mensch seinen Arm nur ungenau positionieren, da unsere Wahrnehmung der Position unserer Gliedmaßen und deren Gelenkstellungen wenig präzise ist. Klassische Industrieroboter arbeiten in der Regel zwar blind, nutzen im Gegensatz zum Menschen jedoch eine hochgenaue Sensorik zusammen mit einer steifen Konstruktion, um trotzdem eine hochgenaue Positionierung des Endeffektors zu erreichen. Der Mensch dagegen verwendet zusätzlich die visuelle Wahrnehmung und somit eine multimodale Informationsverarbeitung, um eine präzise Manipulation von Objekten zu ermöglichen. Auf ähnliche Weise werden mit der softwarebasierten Sensorik von Rovi Gelenkstellungen eines Roboterarms sowie Positionen und Greifkräfte unter Verwendung kostengünstiger Kameras erfasst und dadurch eine präzise und autonome Interaktion des Roboters mit Objekten ermöglicht.

Funktionsprinzip der kamerabasierten Sensorsoftware für das intelligente Greifsystem.

Funktionsprinzip der kamerabasierten Sensorsoftware für das intelligente Greifsystem.

Die Software berechnet die Gelenkstellungen eines Roboterarms im dreidimensionalen Raum mit Bildanalyse-Algorithmen. Kraft-Momentensensoren und taktile Sensoren werden durch einfache passive flexible Elemente, wie kostengünstigen Schaumstoff, ersetzt. Kontaktkräfte führen zu charakteristischen Verformungen dieser Elemente. Die Software misst diese Verformung ebenfalls mithilfe von Bildanalyseverfahren und berechnet anhand eines Materialmodells die anliegenden Kräfte und Momente. Die Sensorsoftware ist anwendbar auf komplette Robotersysteme, Roboterarme, Greifer oder mobile Roboterplattformen und ermöglicht die intelligente Steuerung dieser Systeme.

Die Rovi-Software ersetzt eine Vielzahl von Sensorik in Robotersystemen, wodurch sich unter anderem der Verkabelungsaufwand reduziert. Zudem ermöglicht sie die Realisierung von sensitiven und gleichzeitig kostengünstigen Robotern. Denn diese Kameras sind durch ihre enorme Verbreitung äußerst kostengünstig und leistungsstark. Zugleich sind sie für die Umgebungserkennung auf Robotern unverzichtbar und deshalb bereits auf vielen Robotern vorhanden. Da die aktuelle Roboterkonfiguration über externe Kameras und Software gemessen wird, müssen Verbindungselemente nicht zwangsweise möglichst steif konstruiert und hochpräzise gefertigt werden. Stattdessen können nachgiebige Elemente und Materialien sowie einfachere Fertigungsverfahren mit geringerer Präzision eingesetzt werden. Dadurch lassen sich Kosten sparen und komplexe Schutzsysteme vermeiden. Mit flexiblen Elementen kann jedoch die Position des Arms nicht mehr wie herkömmlich über die Gelenkstellungen und das starre Robotermodell berechnet werden. Eine externe Kamera in Verbindung mit dieser speziellen Software ermöglicht die präzise Berechnung der Position von Arm und Endeffektor, da auch Verformungen über die Kamera erfasst werden.

Auch an industriellen Greifern werden Kameras zukünftig immer mehr zum Standard. Diese Kameras können in vielen Fällen für die beschriebene softwarebasierte Sensorik verwendet werden, da diese mit beliebigen Kameras zusammenarbeitet.

Kennwerte im Vergleich zur traditionellen Robotik

Die am Roboterarm oder Greifer befestigte Kamera und die in der Steuerung integrierte Sensorsoftware ersetzen Sensoren und sparen Investitionskosten.

Die am Roboterarm oder Greifer befestigte Kamera und die in der Steuerung integrierte Sensorsoftware ersetzen Sensoren und sparen Investitionskosten.

Industrielle Roboterarme mit herkömmlichen Hardware-Sensoren weisen sehr hohe absolute Genauigkeiten von < 0,1 mm und hohe Gelenkgeschwindigkeiten auf, da sie speziell dafür konstruiert wurden. Hardware-Sensoren können hier Abtastraten von > 1 kHz liefern. „Es ist nicht das Ziel unserer Technologie, mit diesen Werten zu konkurrieren“, sagt Dr. Schuhwerk. „Ein relevantes Maß für Roboter in unbekannten und veränderbaren Umgebungen ist die relative Genauigkeit zwischen Roboter und Zielobjekt. Und hier sehen wir unser Terrain. Genauso wie jeder Industriearm, der mit einer Kamera ergänzt wird, sind wir dabei durch die kamerabasierte Lageschätzung des Zielobjekts begrenzt. In typischen Set-ups mit einfachen Kameras erreichen wir circa 1 mm. Ultra HD-Kameras erlauben < 0,3 mm. Wir streben eine Geschwindigkeit von < 45°/s an“, führt Clemens Schuwerk aus. Das sei für Roboter außerhalb des Käfigs eine sichere Wahl und wird ebenso von vielen existierenden Robotern verwendet.

Die Genauigkeit der taktilen und Kraft-Momenten-Sensoren hängt stark von der Kameraeinstellung (Abstand, Auflösung) ab. In typischen Fällen wird eine Genauigkeit von unter fünf Prozent erreicht, die mit der Genauigkeit von Hardware-Sensoren im mittleren Preissegment vergleichbar ist.

Intelligenter Greifer mit integrierter Kamera

Für das intelligente Greifsystem mit integriertem Stereo-Kamerasystem und kamerabasierter Sensorik wurde der Zweibacken-Greifer Typ MPLM1630HAN von Gimatic ausgewählt. Dieser passt gut zu den derzeitig umgesetzten Anwendungen, wie beispielsweise das Kommissionieren von Kleinteilen. Weiterhin ermöglicht er eine direkte Ansteuerung des Motors. Diese offene Schnittstelle ist wichtig, damit die Sensordaten aus der Software dazu verwendet werden können, den Greifprozess intelligent zu steuern und zu überwachen. Weiterhin erlaubt sie die schnelle und einfache Entwicklung von Prototypen für Pilotkunden.

Herausforderungen bei der Entwicklung

Dr. Clemens Schuwerk, Control Engineering, Marketing and Sales bei Rovi

Dr. Clemens Schuwerk, Control Engineering, Marketing and Sales bei Rovi

Der Bau eines Roboters ist generell eine Herausforderung, da die verschiedenen Disziplinen, wie Mechanik, Elektronik, Steuerung, Software und Computer Vision, in einem kleinen Team zu bewältigen sind. Die Kernkompetenz der Jungunternehmer liegt im Bereich Software und so wurde bei der Hardware auf vorhandene Komponenten zurückgegriffen. „Es gibt nur eine sehr begrenzte Verfügbarkeit von offener und/oder modularer Hardware für die Robotik, was den Aufbau eines Demosystems erschwert“, sagt Dr. Schuwerk. Das Team ist noch auf der Suche nach weiteren Partnern für bestimmte Teilsysteme, wie Robotergelenke und –getriebe, denn die Software soll kontinuierlich unter der Zusammenarbeit mit Kunden und Partnern weiterentwickelt werden.

Zum Erschließen neuer Einsatzfelder

Traditionelle Industrieroboter, wie sie zu Handhabung von Materialien, Montage oder in der Logistik Einsatz finden, sind heute zum Großteil auf bestimmte Anwendungen abgestimmte, vorprogrammierte Spezialisten. Diese erledigen meist 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche verlässlich ihre Aufgabe. „Mit unserer Technologie zielen wir nicht auf traditionelle Anwendungen der Automatisierungstechnik ab, wo sehr geringe Zykluszeiten für fest definierte bzw. vorprogrammierte Aufgaben benötigt werden. Die Sensorsoftware ermöglicht neuartige Roboterarme und -greifer, die sensitiv und autonom agieren, dabei aber technisch stark vereinfacht und deshalb sehr kostengünstig herstellbar sind“, beschreibt ein Mitbegründer die Einsatzvision. Damit ermöglicht das Start-up den Einsatz von Robotern in ganz neuen Märkten und Applikationen, die mit heutigen Technologien nicht wirtschaftlich realisierbar wären. Anwendungsbeispiele finden sich in sämtlichen Bereichen der Industrie, bevorzugt dort, wo eine flexible und sichere Handhabung von Objekten nötig ist. Logistik, Landwirtschaft, Nahrungsmittelindustrie oder auch Bereiche, wo sich Roboter an einen schnell veränderten Produktmix anpassen müssen, sind denkbare Einsatzgebiete. Mittelfristig sehen die Forscher Anwendungen für die Technologie aber auch für Haushaltsanwendungen, wo allgemein ein enormer Preisdruck herrscht.

 

Autorin

Angela Struck, Presse Service Büro, Langenpreising,

angela.struck@presseservicebuero.de

Über den Autor

Angela Struck

ist Geschäftsführerin Presse Service Büro in Langenpreising.

angela.struck@presseservicebuero.de