Griff ins Osterkörbchen: Industrieroboter palettiert Ostereier

„Ei, Ei, ab in die Eierpalette!“ heißt es dieses Ostern im Labor für Regelungstechnik und digitale Signalverarbeitung an der Hochschule Osnabrück. Dort kann man dieser Tage einen orangefarbenen Industrieroboter bestaunen, der sich vorsichtig einem Osterkörbchen nähert, dort das oberste Ei ansaugt und es nach mehreren Drehungen des Roboterarms behutsam in einer Eierpackung versenkt. Eier palettieren: Für diese Aufgabe, die bereits Dreijährige mit Leichtigkeit erledigen würden, benötigt ein Roboter ein ausgefeiltes Programm.

„Genauer gesagt, sind dafür sogar mehrere Programme und viele einzelne Schritte notwendig“, sagt Sebastian Werning. Mit seinen Kommilitonen Alexander Krieger, Insa Maßmann und Matthias Speer hat er im Seminar „Mechatronik“ das Projekt „3D-Erkennung von ungeordneten Objekten für eine Roboteranwendung“ bearbeitet. Andere Studierende befassten sich mit der Datenübertragung an Lokomotiven über Schienen, der Automatisierung der heutzutage noch manuell betriebenen Produktion von Fahrradständern oder einem anderen der insgesamt zwölf Mechatronik-Projekte.

Mechatronik ist in vielen Bereichen der Schlüssel für technologische Innovationen: Ob in modernen Industrierobotern, Flugzeugen oder Autos: Überall dort, wo Daten und Signale erfasst, automatisch verarbeitet und in Bewegungen umgesetzt werden, kommt Mechatronik zum Einsatz. „Das Spannende an dieser recht neuen Ingenieurdisziplin ist das Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik und Informatik“, sagt Prof. Dr. Benno Lammen, Sprecher des Master-Studiengangs „Mechatronic Systems Engineering“ (MSE) an der Hochschule Osnabrück. Dort werden „Querdenker“ ausgebildet, die sich in unterschiedlichen Ingenieurbereichen auskennen und später in Entwicklungsabteilungen von Unternehmen oder in Forschungsinstituten mit ungewöhnlichen Ideen für Innovationen sorgen.

Um seinen Studierenden zu zeigen, wie viel Spaß in der anspruchsvollen Schnittstellendisziplin Mechatronik steckt, hat sich Prof. Lammen mit seinem Kollegen, dem Diplom-Ingenieur Heinz-Hermann Hillbrand, die knifflige Ostereier-Aufgabe einfallen lassen. „Dahinter steckt eine Problemstellung aus der Robotertechnik, der sogenannte ‚Griff in die Kiste‘. Ein Roboter soll dabei Objekte, die chaotisch in einer Kiste liegen, greifen und vereinzeln“, erklärt der Professor für Mechatronik. Dies sei eine schwierige Aufgabe, da die Lage der Objekte vorab nicht bekannt ist und mittels 3D-Sensorik bestimmt werden müsse.
Die Studierenden haben dafür zwei handelsübliche Kinect-Kameras eingesetzt, die ein dreidimensionales Tiefenbild der Eier im Körbchen liefern. Die tiefste Stelle wird dabei dunkelblau angezeigt, die höchste Stelle – dunkelrot. Dank einem Bildverarbeitungsprogramm „erkennt“ der Roboter so, welches Ei wie liegt, und kann das oberste Ei mit einem Sauger greifen. Im zweiten Schritt wird durch ein weiteres Programm die Ausrichtung des Eis ermittelt und daraus die nötigen Bewegungen des Roboterarms abgeleitet, um das Ei vertikal auszurichten. Die passende Position zum Einsortieren in die Eierpackung liegt nun vor. Dann muss der Roboter noch einen freien Platz in der Packung berechnen und das Ei dorthin platzieren. Neben einer pfiffigen Anwendung zu Ostern wird so gezeigt, dass das System empfindliche Werkstücke verarbeiten kann.

„Aus dem ‚Griff in die Kiste‘ haben unsere vier Studierenden den ‚Griff ins Osterkörbchen‘ gemacht“, scherzt Lammen sichtlich froh darüber, dass das Team seine schwierige Aufgabe erfolgreich gelöst hat. Zwar hat der Laboringenieur Hillbrand die Mechatronik-Studierenden in die Thematik eingearbeitet – allzu viele Tipps gab es von ihm aber nicht. „Sehen – begreifen – entwickeln: darum geht es oft bei technischen Neuerungen“, sagt er. „Wenn ein Problem erkannt und die Aufgabe verstanden wurde, müssen Ingenieure oft verschiedene Wege ausprobieren, bis die Lösung funktioniert. Für uns Projektbetreuer heißt es dann: eigenständige Arbeit ermöglichen und nicht zu viel eingreifen.“

Rund 160 Stunden hat jedes Teammitglied in die Lösung investiert. „Wir alle haben von zu Hause in Einzelarbeit einen immensen Programmieraufwand bewältigt“, erzählt Sebastian Werning. Bis zu dreimal wöchentlich hat sich seine Projektgruppe im Labor getroffen, die aktualisierte Software eingespielt und getestet und dann die nächsten Schritte besprochen. Jedes Teammitglied hatte einen eigenen Schwerpunkt: Insa und Matthias befassten sich mit der Programmierung des Roboters, während sich Alexander und Sebastian mit der Bildverarbeitung, der Objekterkennung und der Hauptablauf-Routine auseinandersetzten. Zugute kam dem Team, dass alle vier künftigen Mechatronik-Master unterschiedliche Vorbildung haben: Sie besitzen Bachelor-Abschlüsse in Technischer Informatik, im Wirtschaftsingenieurwesen sowie in zwei verschiedenen Elektrotechnik-Fachrichtungen: „Automatisierungs- und Energietechnik“ sowie „Elektronik und Kommunikation“. Auch das ist typisch für den Master MSE, der auch Absolventen anderer Programme, z. B. Maschinenbau, offen steht.

„Das Arbeiten mit einem solch komplexen Gesamtsystem – Roboter, Kameras und die Software – war sehr interessant für mich“, sagt Andreas Krieger. Matthias Speer freut sich über „erweiterte Kenntnisse sowohl in der Roboterprogrammierung als auch in der Bildverarbeitung – aber auch darüber, mit einem tollen Team etwas Innovatives geschaffen zu haben“. Sebastian Werning schließt sich seinen Kommilitonen an: „Die Kombination aus einer selbstentwickelten Bildverarbeitung zur Erkennung von Eiern mit Hilfe mehrerer günstiger 3D-Kameras einerseits und der Projizierung der gewonnenen Informationen auf die Bewegungsabläufe des Roboters andererseits hat mich fasziniert.“

Auch in der Bewertung des Mechatronik-Masters an der Hochschule Osnabrück sind sich die Kommilitonen einig: „Anhand solcher Projekte kann man im MSE-Studiengang viel Neues lernen und hat die Möglichkeit, neben der Theorie aus den Vorlesungen, praxisnahe Problemstellungen zu bearbeiten. Das macht diesen Master besonders interessant, abwechslungsreich und empfehlenswert. Er vereint eine Vielzahl an Disziplinen und bietet uns Studierenden die Möglichkeit herauszufinden, welches der Themengebiete einen persönlich am meisten interessiert.“ Zudem bietet das sogenannte „flexible Master-Studium“ die Gelegenheit, als wissenschaftlicher Mitarbeiter in einem Forschungsprojekt der Hochschule oder auch in einem Unternehmen nebenbei Praxiserfahrungen zu sammeln und Geld zu verdienen. Weitere Informationen zum Studiengang Mechatronic Systems Engineering gibt es im Internet: www.ecs.hs-osnabrueck.de – Studium. Und wer sich die Palettierung der Ostereier mit einem Roboter anschauen möchte, findet einen Film unter www.ecs.hs-osnabrueck.de/35104.html.