Gemischtes Doppel: Einfache Programmierung und Sicherheit für die Mensch-Roboter-Kooperation

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1 AUTOMATICA Forum Future Trends Herausforderungen für die Robotik Gemischtes Doppel: Einfache Programmierung und Sicherheit für die Mensch-Roboter-Kooperation Björn Matthias, ABB AG Forschungszentrum Deutschland Martin Hägele, Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA This work has been partially funded by the European Commission s Sixth Framework Programme under grant no as part of the Integrated Project SMErobot. The research leading to these results has received funding from the European Community s Seventh Framework Programme FP7/ Challenge 2 Cognitive Systems, Interaction, Robotics under grant agreement No ROSETTA. The information in this document is provided as is, and no guarantee or warranty is given that the information is fit for any particular purpose. The user thereof uses the information at his sole risk and liability. FP7 ICT ROSETTA - Seite 1

2 Übersicht Einführung Wirtschaftlichkeit von Mensch- Roboter Kooperation SMErobot Kommunikation Sicherheit Plug-n-play ROSETTA Sicherheit Kognitive Funktionen Montagefähigkeiten Ausblick Offene Fragen und wichtige Themen FP7 ICT ROSETTA - Seite 2

3 Preisverfall der Industrieroboter Industrieroboter: 40% Preis von ,4 1,2 Preis-Index (1990=100%) Lohnentwicklung in D Leistungssteigerung: - Geschwindigkeit 1 - Genauigkeit - MTBF - Telewartung 0,8 0,6 0,4 0,2 USA Deutschland Preis-Index Industrieroboter 1990=100% Seite 3 Fraunhofer

4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zu Industrierobotern Stückkosten Roboterzelle 100 Transferlinie 10 1 Stückkosten- Reduktion 3 Ideale Automatisierung Manuelle Fertigung 0, Flexibilitäts- Steigerung 1 Teile/Jahr Seite 4 Fraunhofer

5 Wirtschaftlicher Hintergrund und Motivationen Konsum- und Markttrend Gesellschaftlicher Trend Individualität und Differenzierung zu anderen Daraus folgender Markttrend Steigende Variantenvielfalt industriell gefertigter Konsumgüter Sinkende Modelllebensdauer Aus Massenproduktion wird Massenspezialisierung ( mass customization ) Herausforderung an die industrielle Fertigung Effizienter Umgang mit hoher Variantenvielfalt und kurzer Modelllebensdauer FP7 ICT ROSETTA - Seite 5

6 Wirtschaftlicher Hintergrund und Motivationen Beispiel: Automobilindustrie Selected OEMs Worldwide variants in production Model variants per brand Number of model variants Renault Mercedes-Benz Variants Fiat New models on existing platforms VW BMW Product Life Cycle (years) New platforms Source: EIU, Automobilrevue, Standard & Poor's DRI World Car Forecast, McKinsey FP7 ICT ROSETTA - Seite 6

7 Wirtschaftlicher Hintergrund und Motivationen Die Robotik-Zone Bereich für MRK Flexibilitätsforderung Modell- und Variantenvielfalt steigen Modell-Lebensdauer sinkt Einsatzbereich der Robotik erweitern durch Flexibilitätssteigerung Effizientere Lösungen Quelle: World Robotics 2007 UNECE / IFR FP7 ICT ROSETTA - Seite 7

8 Wirtschaftlicher Hintergrund und Motivationen Fertigungskosten vs. Automatisierungsgrad Mensch + Wahrnehmen + Reagieren + Adaptieren + Improvisieren - Langsam - Geringe Kräfte - Wenig wiederholgenau - Inkonsistente Qualität Roboter + Hohe Geschwindigkeit + Ggf. hohe Kräfte + Wiederholgenau + Konsistente Qualität - Sehr einfache Sensorik - Begrenzte Adaptivität - Beschränkter Arbeitsbereich Optimaler Automatisierungsgrad < 100% Bei steigendem Automatisierungsgrad: Wird Ausrüstung zunehmend teurer Wird manuelle Fertigung zunehmend wettbewerbsfähig Synergie: MRK Automatisierung bei höchster Flexibilität (Varianten, Losgrößen ) Neue Ergonomiefunktionalität Erschließung neuer Anwendungen Erschließung neuer Marktsegmente (KMU) FP7 ICT ROSETTA - Seite 8

9 Wirtschaftlicher Hintergrund und Motivationen Partielle Automatisierung als Chance für MRK 100% automatisiert 100%ige Automatisierung Aufwendige Absicherung Mehr Maschinen, Roboter Weniger flexibel bei Umstellung Mehr qm Flächenbedarf Sicher überwachte Zone Fördertechnik Arbeitsstation Roboter Werker Partielle Automatisierung Sensorische Absicherung Weniger Maschinen, Roboter Flexibler bei Umstellung Weniger qm Flächenbedarf partiell automatisiert FP7 ICT ROSETTA - Seite 9

10 Trends in der Robotik (Automotive Industries) Mehr-Roboter- Arbeitszellen Fördereinrichtungen Aufspannung, Positionierer Synchroner Fluss bzw. Takt Seite 10 Roboter-Roboter- Kooperation Materialfluss, Positionierung durch Roboter Arbeitsteilung und Koordination Mensch-Roboter- Kooperation Gewichtsausgleich Virtuelle Wände Arbeitsteilung Fraunhofer

11 Prinzip der Mensch-Roboter-Kooperation M Manueller Arbeitsplatz A Automatisierter Arbeitsplatz Seite 11 Fraunhofer

12 Prinzipien der Mensch-Roboter-Kooperation K Kooperations- Arbeitsplatz Assistenzroboter Unterstützung bei Montage, Schweißen, etc. Assistenzroboter Unterstützung bei Montage, Schweißen, etc. Intuitive Programmierung Schnelle und intuitive Roboterprogrammierung Seite 12 Fraunhofer

13 IPA1 Warum war es für Roboter hier schwierig? Schleifen und Entgraten Was fehlt sind: Schnellere vor-ort - Programmiermethoden Intuitive Vorgaben von Bearbeitungsbewegungen und -kräften Grosse Kräfte (wenn notwendig)

14 Folie 13 IPA1 Common sense reasoning: Despite robotics research An end-user need for increased productivity "Classical" processes Efforts from Robot manufacturers to access this end-user group IPA;

15 Warum war es für Roboter hier schwierig? Holzverarbeitung Was fehlt sind: Intuitive Programmierverfahren ohne CAD-Daten Plug&Play Werkzeugwechsel und Stellplatz Sichere Mensch-Roboter-Kooperation

16 Warum war es für Roboter hier schwierig? Maschinenbestückung und -handhabung Was fehlt sind: Mobilität für die Beschickung an wechselnden Maschinen Robuste Objekterkennung Multi-Funktions-Greifer

17 Anforderungen an zukünftige Roboter < einmal/jahr offline ~ 4 * Roboter-Preis <10% Neuinstallationen durch Experten Umrüstung Programmierung Kosten der Roboterzelle Sensorbasiert Instandhaltung < einmal/tag Werkstattebene ~ 1 * Roboter-Preis 100% durch den Werker

18 Roboter für KMU Innovationsfelder: 1. Der Roboter, der intuitive Werker-Kommandos versteht 2. Der sicher kooperierende und produktive Roboter 3. Die 3-Tages Roboterzelle FP6 Integrated Project 17 Partners, weitere Mittelständler Laufzeit März Mai

19 Intuitive Belehrung Neue Interaktions-Geräte und ihr Gebrauch Taktiles Führen Graphik Sprache

20 Sicher kooperierende, produktive Roboter Sichere und low-cost Kinematiken, Antriebe und Sensoren Roboter ohne Zäune

21 Plug-and-Produce Die 3-Tages Roboterzelle Roboter-Programm-Generierung durch Werkstück-Prozessdaten Ethernet network

22 Programmieren durch Vormachen Zeitersparnis bei der Programmierung Testumgebung Versuche bei Fa. Treffler, KMU, ca. 70 MA Testbauteilen und reale Bauteile Roboterprogrammierer und Schweißer Ziel: Programmoptimierung und Zeitmessung Ergebnisse Zeiteinsparung zwischen 9% und 40% Sehr schnelles Erlernen der Programmierung Nutzen Zeitersparnis bei der Programmierung Personal schneller für Programmierung qualifiziert Wirtschaftlich bei geringen Losgrößen Seite 21 Fraunhofer

23 Kostenvorteil der Mensch-Roboter-Kooperation Mensch-Roboter-Kooperation = Abstand Abstand bedingt: Transporteinrichtungen Werkstückträger Nebenzeiten, besonders bei "Hin und Her" Teile A Abstand Abstand Teile M Baugruppe, Produkt Seite 22 Fraunhofer

24 Kostenvorteil der Mensch-Roboter-Kooperation Mensch-Roboter-Kooperation Reduce to the Max : Integration Intelligenz auf den Roboter Vereinzelung/Zuführeinrichtungen reduziert Kalibrierung Roboter auf Umgebung/Objekt Versetzbar/mobil =Peripherie Seite 23 Fraunhofer

25 MRK in der praktischen Anwendung - Klassifizierung 1 2 Kooperationsgrad 1. Einmalig zum Einrichten (z.b. Einlernhilfe) 2. Punktuell wiederkehrend (z.b. manuelles Einlegen, dritte Hand) 3. Regelmäßig bis dauerhaft (z.b. Handführung, Kollege Roboter ) 2 3 (alle Photos: ABB AG Forschungszentrum) FP7 ICT ROSETTA - Seite 24

26 MRK in der praktischen Anwendung - Klassifizierung Typ 1 Inbetriebnahme Typ 2 Diskrete Aufgaben Typ 3 Kontinuierliche Aufgaben Zeit autonome Roboterbewegung Kontinuierliche Kooperation Diskrete Kooperation FP7 ICT ROSETTA - Seite 25

27 ROSETTA RObot control for Skilled ExecuTion of Tasks in natural interaction with humans; based on Autonomy, cumulative knowledge and learning ROSETTA entwickelt ergonomische Technologien für Industrieroboter, die durch menschenähnliche und sichere Bewegungen die Kooperation mit Werkern auf natürlich anmutende Weise ermöglichen. Diese Roboter werden intuitiv und effizient programmierbar sein, damit sie nach Produktionsumstellungen leichter an neue Aufgaben angepasst werden können. FP7 ICT ROSETTA - Seite 26

28 Zielsetzung des Projekts Übergeordnetes Ziel: Einen Industrieroboter dazu ertüchtigen, Aufgaben in einer ansonsten manuellen Fertigungslinie zu übernehmen ABB Einfache Bedienbarkeit Häufige Umstellungen einfach Nur minimales Basiswissen nötig Komplexe Aufgaben einfach anweisen Personensicherheit Arbeitsplätze in beengter Umgebung Kooperation zwischen Mensch und Roboter FP7 ICT ROSETTA - Seite 27

29 Projekt-Steckbrief Eckdaten EU Siebentes Rahmenprogramm Challenge 2 Cognitive Systems, Interaction, Robotics Projekt-Typ: Large-Scale Integrating Project (IP) Laufzeit: Mar Feb Gesamtvolumen: ca. 10 MEUR Konsortium ABB AB (Schweden, Koordinator) ABB AG (Deutschland) DYNAmore GmbH (Deutschland) Fraunhofer IPA (Deutschland) K.U. Leuven (Belgien) Ludwig-Maximilians-Universität Munich (Deutschland) Lund University (Schweden) Politecnico di Milano (Italien) FP7 ICT ROSETTA - Seite 28

30 Zielstellungen und Forschungsschwerpunkte Zielstellungen Ertüchtigung von Robotern für komplexe Aufgaben mit hoher Flexibilität und Robustheit Verringerung des Einrichtaufwands für eine schnelle Produktionsumstellung von Produkt A auf Produkt B Erstellung eines leicht bedienbaren Programmiersystems, um ROSETTA- Roboter Funktionalität auch ohne qualifizierte Programmierer einzusetzen Entwicklung von neuer Sensorik, Regelungsund Entscheidungs-Algorithmik für personensichere, direkte Mensch-Roboter- Interaktion in einem realistischen Produktionsszenario Forschungsthemen Intuitive Programmierung des Roboters Aufgabenorientierte Programmierung Darstellung von Wissen und Fähigkeiten Engineering-Werkzeug Robotersteuerung Sensorintegration Montage-Arbeitsschritte Lernen Anwendungsorientierte Architektur Semantische Wahrnehmung und Interpretation Personensicherheit Direkte Mensch-Roboter-Interaktion Verletzungskriterien Überwachung des Arbeitsraums FP7 ICT ROSETTA - Seite 29

31 Schwerpunkte und voraussichtliche Ergebnisse Schwerpunkte Framework für Wissens-Integration Aspekte des Ergonomie Kriterien für Personensicherheit Robot Kinematics Ergebnisse Neue Anwendungen für Automatisierung mit Robotern Erhöhte Flexibilität in Automatisierungs-Lösungen Senkung der Produktionskosten Steigerung der Produktqualität Beschreibung und Modellierung des physikalischen Kontakts Mensch- Roboter Klassifizierungsschema für Verletzungsrisiken ermöglicht Normung von kollaborierenden Robotern (Mitwirkung bei ISO/TS 15066) FP7 ICT ROSETTA - Seite 30

32 PY1 Highlight: Framework für Wissensbasis Framework für Speicherung von und Zugriff auf Roboterfähigkeiten für Montage XML RDF SPARQL AutomationML Vorträge bei der ISR / ROBOTIK 2010 diese Woche: Di 11:10 Automatic Generation of Robot Applications using a Knowledge Integration Framework, Martin Naumann et al., Fraunhofer IPA, Germany Mi 09:05 A Knowledge Integration Framework for Robotics, Jacob Persson et al., Lund University, Sweden FP7 ICT ROSETTA - Seite 31

33 PY1 Highlight: Untersuchung menschenähnlicher Bewegung Numerische Modellierung des Anpralls beim Mensch-Roboter Kontakt Modelle verifizieren und kalibrieren Regeln ableiten für neue Sicherheitsnormen Entfernungsmessung zwischen Roboter und Menschen in der Nähe, Bewegungsabsichten abschätzen Statische Planung und dynamische Anpassung der Roboterbewegung im Umfeld des menschlichen Kollegen Darstellung der menschlichen Bewegungsmuster bei Handhabung Erfassung der Kinematik des menschlichen Arms durch Messungen mit Markern Vorträge bei der ISR / ROBOTIK 2010 diese Woche: Mi 14:30 Kinematic motion analysis of the human arm during a manipulation task, Andrea Maria Zanchettin et al., Politecnico di Milano, Italy, Ioannis Symeonidis et al., (Politecnico di Milano, Italia, Ludwig-Maximilians University, Munich, Germany) FP7 ICT ROSETTA - Seite 32

34 PY1 Highlight: Sicherheitskriterien Kontaktgeometrien: Mo 10:40 Mo 13:50 Freier Stoß teilweise begrenzt begrenzt teilweise begrenzt Vorträge bei der ISR / ROBOTIK 2010 diese Woche: Measuring the Collision Potential of Industrial Robots, Susanne Oberer-Treitz et al., Fraunhofer IPA, Germany Injury Risk Quantification for Industrial Robots in Collaborative Operation with Humans, Bjoern Matthias et al., (ABB AG Corporate Research, Fraunhofer IPA, Ludwig-Maximilians-Universität, Germany) Heute Keine brauchbaren Sicherheitskriterien Keine Normung der Sicherheit kollaborierender Roboter möglich Unsere Beiträge Strukturierte Beschreibung zur Klassifizierung der Interaktionsszenarien Bewerten eines digitalen Modells des menschlichen Körpers mit FEM Software Implementierung von Geometrie und Materialdaten für menschlichen Arm unter Berücksichtigung von Knochenstruktur und Weichgewebe Messaufbau für Kollisionsmessungen Morgen Standardkriterien zur Bewertung der Sicherheit von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern FP7 ICT ROSETTA - Seite 33

35 PY1 Highlight: Roboterkinematik Kinetostatic danger field für 2- achsigen Manipulator Holonome(wiederholbare) Auflösung der Redundanz für eine wohldefinierte Roboterbewegung Sicherheitsabstand zu Hindernissen halten Integrierte Echtzeit-Sensoren zur dynamischen Erfassung von bewegten Objekten Steuerungsarchitektur entwickelt Berechneter kollisionsfreier Pfad für einen 6-achsigen Manipulator FP7 ICT ROSETTA - Seite 34

36 Aktuelle Fragen und Ausblick Leichte Bedienbarkeit Anpassung an Benutzergruppen ist ein Dauerthema Roboter-Spezifika in den Hintergrund / Applikations-Spezifika in den Vordergrund low-cost : Bedienung einfach wie ein elektrisches (Hand-) Werkzeug, wenige Knöpfe führen zum Ziel high-end : Durch maschinelles Lernen wird der Roboter zum kompetenten Kollegen, kann auf Erfahrung zurückgreifen, versteht komplexe Kommandos Sicherheit in der Mensch-Roboter Kooperation Normung (ISO / TS Robots and robotic devices - Safety requirements - Industrial collaborative workspace) Entwurfsrichtlinien und Testverfahren für personensichere Roboter Regelungstechnische Beeinflussung des Roboters zur gleichzeitigen Minimierung des Verletzungsrisikos und der Taktzeit Langfristig: Sicherheit nicht mehr im Arbeitsablauf, sondern im Hintergrund (Erfassung der Situation Bewertung der Personensicherheit Anpassung der Bewegung) FP7 ICT ROSETTA - Seite 35

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