Mobile Roboter für den Flugzeugbau

Koordiniert vom Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg wollten die Experten insbesondere die Aufgaben in der Produktion automatisieren, die die Gesundheit des Menschen gefährden oder die sehr monoton und körperlich anstrengend sind.

Auch Aufgaben im Flugzeugbau, die durch viele Fertigungsschritte hindurch immer wiederkehren, sollen zukünftig von einem einzelnen mobilen Roboter ausgeführt werden. Ersetzen sollen die Roboter die Fachkräfte nicht, sondern sie entlasten, ihnen assistieren und sie bei ihren Aufgaben unterstützen.

In dem VALERI-Projekt (Validation of Advanced, Collaborative Robotics for Industrial Applications) haben die Forscher die technischen Voraussetzungen dafür geschaffen, dass Mensch und Roboter nebeneinander arbeiten können. Am Beispiel des Auftragens der Dichtmasse am Flugzeugrumpf und beim Prüfen von Bauteilen haben sie am Airbus-DS-Standorte in Sevilla damit bewiesen, dass zukünftig Zäune und andere Schutzeinrichtungen aus den Produktionsstätten verschwinden können.

Menschen und Roboter arbeiten dann direkt nebeneinander, vielleicht sogar an demselben Bauteil und sind dennoch voneinander unabhängig. Mit dem Einbau eines zweiten Prüfsensors in dem VALERI-Robotersystem haben die Projektpartner darüber hinaus gezeigt, dass sich das System auch in anderen Fertigungsprozessen des produzierenden Gewerbes im Allgemeinen einsetzen lässt. Mit VALERI setzten die Experten einen Meilenstein, um ihre Ideen für die Mensch-Roboter-Kollaboration und in der Luftfahrtindustrie zu verwirklichen und die nächsten Schritte in Richtung Industrie 4.0 zu gehen.

Am VALERI-Projekt sind die industriellen Anwendern Airbus DS und FACC, dem Hersteller von Industrierobotern KUKA Robotics GmbH, dem Systemintegrator IDPSA und den Forschungspartnern PROFACTOR GmbH und PRODINTEC beteiligt. Das Projekt wird durch die Europäische Kommission im RP7 “Fabriken der Zukunft” mit rund 3,6 Millionen Euro gefördert.

Mehr Flexibilität

Großbauteile werden heute an einer feststehenden Fertigungszelle in der Produktion von Menschen bearbeitet. Über mehrere Tage hinweg montieren und prüfen Arbeitskräfte die Bauteile in mehreren Schichten. Spezialisierte, stationäre Robotersysteme sind in einem solchen Produktionsumfeld nicht wirtschaftlich. Das soll sich zukünftig ändern: Ein mobiler Roboter kann ähnliche Aufgaben an mehreren Arbeitsplätzen übernehmen. Deshalb benötigt das VALERI-System höhere Flexibilität im Vergleich zu traditionellen stationären Industrierobotern.

Komplexe Herausforderungen

Das Projekt hat sich auf drei exemplarische Aufgaben konzentriert: das Auftragen der Dichtmasse entlang einer Nut, das Kontrollieren im Anschluss und das Prüfen geflochtener CFK-Bauteile. Während die ersten zwei Anwendungen eng miteinander verbunden sind, hat das VALERI Konsortium eine dritte Anwendung ausgewählt, um die allgemeine Flexibilität des Systems zu zeigen. Der Roboter ist in der Lage, Werkzeuge zu wechseln. Dazu lässt sich die Programmierung zur Ausführung von völlig neuen Prozessen schnell und intuitiv vornehmen.

Individuelle Technologien, hochintegriertes System

Zu Beginn des Projekts hat KUKA einen schon vorhandenen omniRob-Roboter so angepasst, dass seine Reichweite für das Spektrum der vorgesehenen Aufgaben geeignet ist. Beispielsweise ergänzten die Experten die Plattform durch eine drehbare, vertikale Linearachse, sodass der komplette Roboter zwölf Freiheitsgrade und eine menschenähnliche Reichweite besitzt. Die Koordinierung eines solch hyperredundanten Systems zur Abstimmung aller Bewegungen – echte mobile Manipulation – war notwendig, damit der VALERI-Roboter sich intuitiv programmieren lässt und seine Aufgaben erfüllen kann.

Die Forscher vom Fraunhofer IFF in Magdeburg entwickelten taktile Sensoren und ein kamerabasiertes Arbeitsraumüberwachungssystem als Sicherheitstechnologien für die direkte Mensch-Roboter-Kollaboration. Die taktilen Sensoren erkennen Berührungen: Sobald eine biomechanische Belastungsgrenze erreicht wird, stoppt der Roboter.

Zuvor ermittelten die Forscher maximal zulässige Geschwindigkeiten für den Roboter. Diese Daten sind für die weltweite Robotik sehr wichtig – sie helfen bei der Validierung kollaborierender Roboter mit Sicherheitsmaßnahmen zur Kraft-und-Leistungsbegrenzung. Außerdem können die taktilen Sensoren für die haptische Interaktion mit dem Roboter verwendet werden. Anwenderstudien haben bestätigt: Der Bediener führt den Roboter intuitiv und einfach so, wie er sich bewegen soll.

Das Arbeitsraumüberwachungssystem besteht aus einem Tiefenbildsensoren mit drei Stereokamerapaaren. Es erfasst die Bewegung des Werkzeugs und legt ein virtuelles Schutzfeld um diesen Bereich. Bewegt sich nun ein Mensch oder ein Objekt in dieses Schutzfeld, hält der Roboter an und vermeidet eine Kollision.

Die IDPSA-Experten entwickelten ein Werkzeug zum Auftragen der Dichtmasse und integrierten es die Robotersteuerung. Damit kann das Auftragen der Dichtmasse eng mit der Geschwindigkeit und Orientierung des Roboters abgestimmt werden. Entlang der gekrümmten und flachen Bahnen wird die Dichtmasse deutlich besser aufgetragen.

Die Forschungseinrichtung Prodintec integrierte nach Anpassungen ein Kamera-basiertes Werkzeug für die Bauteilortung. Die Kamera erfasst 3D-Punktwolken und kann mit einer CAD-Matching-Software die Bauteile erkennen und orten. Somit kann VALERI die Bauteile, die teilweise auf Rollen stehen und nicht immer in der gleichen Position in der Fabrik stehen, lokalisieren und bearbeiten. Weiterhin entwickelte und integrierte die Firma Profactor zwei weitere Werkzeuge, mit denen der VALERI-Roboter die Dichtmasse und die geflochtenen CFK-Bauteileprüfen kann.

Das Projekt VALERI wurde durch die Europäische Union im Siebten Rahmenprogramm (FP7/2007-2013) unter Förderkennzeichen 314774 gefördert.

http://www.iff.fraunhofer.de/de/geschaeftsbereiche/robotersysteme/forschung/robo… – weitere Informationen zur Robotik in der Produktion am Fraunhofer IFF
http://www.valeri-project.eu/ – Webseite des VALERI-Projekts