Referenzprojekte

VIML ist ein Forschungsprojekt von Fraunhofer IWU und Fraunhofer ITWM zur Entwicklung wissens- und datenbasierter Vorhersagemodelle für Werkzeugverschleiß und Werkstückqualität in Zerspanungsprozessen. Dazu kombiniert VIML Prozess- und Sensordaten mit formalisiertem Expertenwissen im Ansatz des Informierten Maschinellen Lernens (IML).

Die zunehmende Interaktion von Mensch und Maschine verändert die Anforderungen an Robotiksysteme. Bestehende Systeme sind meist an Produktionsaufgaben orientiert, wo Schnelligkeit, Präzision und Kraft eine primäre Rolle spielen. Damit gehen sie nur unzureichend auf menschliche und zwischenmenschliche Bedürfnisse ein. Etablierte Bedien- und Sicherheitskonzepte sind zudem schwer auf menschennahe Aufgaben außerhalb der Produktionsumgebung übertragbar. Zielstellung des ZIM-Netzwerks ist die Demokratisierung der Robotik durch die Entwicklung sicherer und flexibler Robotertechnologien mit hohem Akzeptanzpotential und ausreichender Performanz, die wirtschaftlich sind. Dies soll u.a. durch die Entwicklung von funktionalisierten Strukturkomponenten, dynamischen Sicherheitskonzepten und intuitiven Mensch-Maschine-Schnittstellen sowie die Integration von kognitiven Fähigkeiten und die Umsetzung modularer Systeme erreicht werden.

Das Projekt zielt darauf ab, Herstellungsverfahren für vollständig kompostierbare Bauteile aus Pilzmyzel mit komplexer Geometrie und Eigenschaften zu entwickeln. Dabei kommen verschiedene Formgebungsverfahren wie der Pasten-3D-Druck und das Spritzgießen zum Einsatz. Gleichzeitig wird eine Hygienestrategie entwickelt, die es erlaubt, auch im industriellen Kontext kontaminationsfrei Pilzmyzelien zu züchten.

Zukünftig werden hybride Arbeitsplätze, an denen bioinspirierte Technologien als autonome Systeme und/oder in symbiotischer Zusammenarbeit mit Menschen zum Einsatz kommen, eine immer größere Rolle spielen. Um dies zu ermöglichen, müssen Vorteile der Softrobotik wie Sicherheit und Flexibilität sowie die Möglichkeit, repetitive Aufgaben ermüdungsfrei durchzuführen, in neuen Systemen kombiniert werden. Im Projekt BioiC werden dafür Roboter nach biologischen Vorbildern entwickelt, die für die Produktion essentielle Zielgrößen erreichen und dennoch inhärent sicher sind bzw. Arbeitsaufgaben dank ihrer kognitiven Fähigkeiten autonom anpassen können.

Durch den Einsatz von nachgiebigen Materialien in der Soft-Robotik entstehen flexible Systeme, die ein hohes Maß an inhärenter Sicherheit für die Mensch-Maschine-Interaktion aufweisen. Soft-Robotern fehlt dadurch oft die für die Ausübung vieler Tätigkeiten nötige Steifigkeit. Im Rahmen des Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials werden Strukturen mit adaptiver, also schaltbarer Steifigkeit entwickelt. Dafür wird ein Programmierbares Material designt, das eine wiederholbare und ortsaufgelöst dynamisch schaltbare Steifigkeit inkl. einer Positionsfixierung ermöglicht und als schaltbares Gelenk zur Segmentkopplung u. a. für menschennahe Roboter dienen kann.

Schwerlast-Roboter waren bisher immer in getrennten Arbeitsbereichen untergebracht, um die Mitarbeiter in Fabriken nicht zu gefährden. Forscher des Fraunhofer IWU wollen das ändern. Mit einem ausgeklügelten Sicherheitskonzept und intelligenter Robotersteuerung arbeiten Mensch und Roboter im Team zusammen.

Der Mensch als Dirigent in einer hochautomatisierten Umgebung: Durch die industrielle, praxiserprobte Auslegung des vom Fraunhofer IWU entwickelten modularen Gestensteuerung-Systems wird dieses Bild Realität. Optische, smarte Sensoren, innovative Bildverarbeitungsverfahren, neueste Roboter-Bahnplanungsalgorithmen sowie intuitive Mensch-Maschine-Schnittstellen bilden die Basis für diese Technologie, die den Menschen flexibel mittels applikations-individueller Gesten mit Industrie 4.0-Applikationen kommunizieren lässt.

Künftig wird Programmieren zum Kinderspiel. Um den Roboter für die gewünschte Abfolge der Bewegungen anzulernen (Teachen), genügt es dank SmartGesture, die Punkte der Bewegungsbahn mit dem Finger anzuzeigen (Fingertracking) und mit einem einfachen Sprachbefehl festzulegen. Der Roboter kann diese Bewegungsbahnen unmittelbar nachvollziehen und so zeigen, dass er die gewünschten Bewegungen exakt umsetzen kann. Die Programmierung per Fingertracking und Sprachsteuerung kann sogar remote, also ortsunabhängig erfolgen. Ist die gesamte Bewegungsbahn des Roboters festgelegt, hat das System auch schon die Sicherheitszone definiert: Kommt ihm ein Mensch zu nahe, verlangsamt er seine Bewegungen oder bremst bis zum Stillstand ab. Für die multimodale Mensch-Roboter-Interaktion kommen sowohl Cobots als auch konventionelle Industrieroboter in Frage. Nicht zuletzt die Verknüpfung von intelligenter Bahnplanung und Sicherheitszonierung in Echtzeit ermöglicht viele Einsatzszenarien.

Die Produktion steht aktuell in fast allen Branchen vor der großen Herausforderung, Flexibilität, Agilität und Nachhaltigkeit bei maximaler Produktivität und Qualität zu gewährleisten – und das natürlich bei minimalen Kosten. Eine Lösung kann hier der Einsatz von COBOTs sein, die je nach Anwendungsszenario eine flexible und bedarfsgerechte technologische Erweiterung von Werkzeugmaschinen erzielen – ob beim klassischen Teilehandling, der Werkstückbearbeitung, bei Qualitätskontrollen oder auch als Maschinenbediener mit eigenem Know-how. Die Möglichkeiten für den wirtschaftlichen Einsatz von COBOTs sind breit und vielfältig.

Virtuelle und reale Produktionswelten wachsen zusammen. Der Mensch überwacht und leitet mithilfe von smarten Endgeräten eine Produktion, die sich weitestgehend intelligent selbst reguliert. Unter dem Begriff Industrie 4.0 ist diese Transformation bereits in aller Munde. Deutschland sieht sich hier als einer der Vorreiter. Zur Stärkung dieser Position hatte das BMBF die Initiative »Industrie 4.0-Testumgebungen – Mobilisierung von KMU für Industrie 4.0« initiiert. Das Fraunhofer IWU unterstützt darin mit seiner Forschungsfabrik als offizielles Test- und Kompetenzzentrum Mittelständler bei der Umsetzung ihrer Ideen.