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Mobile Serviceroboter erfolgreich entwickeln

| Autor / Redakteur: Simon Baumgarten* / Jan Vollmuth

Bei der Entwicklung mobiler Serviceroboter helfen strukturierte und systematische Planungs- und Konstruktionsprozesse sowie ein erfahrener Partner, solche Projekte auch bei besonderen Herausforderungen zum Erfolg zu führen und von Robotik zu profitieren.

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Service-Assistent: Der robotische ServiceAssistent ist ein mobiler Roboter, der zum Beispiel in Pflegeeinrichtungen oder öffentlichen Bereichen Getränke und Snacks anbieten kann.
Service-Assistent: Der robotische ServiceAssistent ist ein mobiler Roboter, der zum Beispiel in Pflegeeinrichtungen oder öffentlichen Bereichen Getränke und Snacks anbieten kann.
(Bild: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

Längst kein Nischenthema mehr: Abseits der klassischen Industrieanwendungen erfährt die Servicerobotik seit vielen Jahren hohe Zuwachsraten. Robotertechnologie hält dabei Einzug in immer mehr Branchen.

Zum Teil werden konventionelle Geräte mit autonomen Funktionen ergänzt und so zu Robotern, beispielsweise Erntemaschinen, Gabelstapler oder Personenlifter für die stationäre Pflege. Zum anderen werden jedoch auch gänzlich neue robotische Systeme konzipiert und erfolgreich auf den Markt gebracht. Dazu gehören unter anderem Reinigungsroboter und Roboter, die Lieferdienste im In- oder Outdoorbereich durchführen.

Service Roboter übernehmen hohe Arbeitslasten

Mobile Serviceroboter lassen sich nicht nur, aber vor allem in Arbeitsumfeldern einsetzen, die monotone, dreckige oder gefährliche Arbeiten mit sich bringen, die sogenannten 3D-Arbeiten (dull, dirty, dangerous). Da in vielen dieser meist schlecht bezahlten Tätigkeitsbereiche zudem wenig Mitarbeiter gefunden werden, sind Serviceroboter eine Möglichkeit, die Arbeitslast zu stemmen und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen zu stärken.

Es lohnt sich also für Hersteller, sich mit diesem boomenden Thema ausführlich zu beschäftigen. Um vorhandene Automatisierungspotenziale nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien genau und systematisch zu erschließen, ist dabei der Austausch mit erfahrenen Automatisierungsexperten hilfreich. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA entwickelt seit über 20 Jahren mobile Serviceroboter und entsprechende Schlüsseltechnologien für verschiedene Einsatzfelder.

Anwendungsorientiert ausgerichtete Forschung

„Trotz der jeweils anwendungsspezifischen Entwicklungen begegnen uns in der Praxis oft ähnliche Herausforderungen. Hierfür bieten wir ein Spektrum an Lösungen für die Aufgaben, sodass wir bei der Entwicklung neuer Roboter effizient vorgehen können“, erklärt Theo Jacobs, Projektleiter und Konstrukteur für Serviceroboter am Fraunhofer IPA. „Durch die explizit anwendungsorientierte Ausrichtung der Fraunhofer-Forschung sind wir wissenschaftlich und technologisch auf dem neuesten Stand und kennen gleichzeitig die Bedarfe der Industrie aus zahlreichen bilateralen Projekten.“

Bevor die Aufrüstung eines bestehenden oder der Entwicklungsprozess eines neuen Serviceroboters beginnt, empfehlen die Fraunhofer-Forscher, eine Machbarkeitsstudie durchzuführen. Diese sollte Automatisierbarkeit, Aufwand, Akzeptanz der Zielgruppe, Zielmarkt und Wirtschaftlichkeit der geplanten Anwendung berücksichtigen. Da sich die Fraunhofer-Forscher gut mit verfügbaren Technologien der Servicerobotik und deren Eigenschaften, das heißt Potenzialen und Grenzen, auskennen, können sie eine unabhängige und herstellerneutrale Beratung anbieten.

Nutzer frühzeitig in die Entwicklung einbinden

Durch den Zuwachs an Autonomie stellt sich stets die Frage, wie das System mit verschiedenen Nutzergruppen interagiert und welchen Einfluss die geplante Einsatzumgebung hat. Gerade bei Systemen für den privaten oder öffentlichen Bereich sollten die späteren Nutzergruppen frühzeitig eingebunden werden, zum Beispiel in Form eines „User-centred design“. Auch mit dieser Vorgehensweise hat das Fraunhofer IPA umfangreiche Erfahrungen und Kontakt zu Nutzervertretern in unterschiedlichen Branchen, die großes Interesse haben, die Entwicklung der Servicerobotik für ihr Anwendungsfeld zu unterstützen und zu begleiten.

Antriebsmodul: Das Fraunhofer IPA entwickelt Komponenten für Serviceroboter wie dieses omnidirektionale Antriebsmodul.
Antriebsmodul: Das Fraunhofer IPA entwickelt Komponenten für Serviceroboter wie dieses omnidirektionale Antriebsmodul.
(Bild: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)

Der Antriebskinematik kommt große Bedeutung zu

Wird ein bestehendes Produkt mit Robotertechnologie aufgerüstet, geht es in der Regel darum, zusätzliche Antriebe hinzuzufügen oder bestehende Aktoren autonom anzusteuern. Hierzu gilt es, eine passende Energieversorgung und Steuerung zu finden. Gerade wenn mehrere Antriebe zusammenwirken, bekommen die Antriebskinematik und die zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade eine große Bedeutung. Da jeder zusätzliche Freiheitsgrad in der Regel mehr Kosten, aber auch mehr Gewicht und Bauraum bedeutet, kann durch ein geschicktes Zusammenspiel von Antrieben die ein oder andere Achse eingespart werden.

So kann beispielsweise ein mobiler Roboter mit einem Manipulator mit sechs Achsen versehen werden. Wird die Beweglichkeit der mobilen Basis – vorwärts und rückwärts, drehen auf der Stelle – sinnvoll genutzt, genügt jedoch gegebenenfalls eine Manipulatorkinematik mit nur vier Achsen. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn schwere Lasten gehoben werden müssen und der Manipulator ansonsten zu massiv gebaut werden müsste. Außerdem lassen sich auf diese Weise Kosten sparen.

Omnidirektionale Lösung eröffnet neue Freiheiten

Bei der mobilen Basis wiederum kann der Einsatz einer omnidirektionalen Lösung, das heißt eines Fahrwerks, das auch Bewegungen zur Seite ermöglicht, das Manövrieren in engen Umgebungen stark unterstützen und so die Steuerung des Roboters vereinfachen.

Um einen autonomen Betrieb von Robotern zu ermöglichen, ist zudem der Einsatz geeigneter Sensoren von großer Bedeutung. Üblicherweise verfügen Roboter über verschiedene Sensortypen, die gerade in der Kombination ihre Stärken ausspielen. So kann eine 3D-Kamera große Bereiche der Umgebung einsehen. Zur präzisen Orientierung in der Umgebung werden jedoch zusätzlich meist Laserscanner verwendet, die auf einer Ebene parallel zum Boden die exakten Abstandswerte zu Umgebungshindernissen ermitteln und so eine genaue Positionsbestimmung ermöglichen. Zudem bieten viele Laserscanner Sicherheitsfunktionen, mit denen sich Mindestabstände zu Personen in der Umgebung mit hoher Zuverlässigkeit überwachen lassen.

Sensoren korrekt platzieren

„Viele Anwender unterschätzen häufig die korrekte Platzierung von Sensoren, sodass mit geringer Sensoranzahl der gesamte Überwachungsraum abgedeckt werden kann“, so Jacobs. „Denn gerade bei mobilen Robotern ist es aufgrund von Platzmangel oft eine herausfordernde Aufgabe, die Sensoren innerhalb des Robotergehäuses anzubringen. Viele 3D-Sensoren weisen zudem Mindest- und Höchstabstände auf, innerhalb derer Objekte erkannt werden können.“

Zudem muss das Zusammenspiel der weiteren Komponenten sorgfältig geplant werden: Lassen sich elektrische Kabel zu allen Komponenten führen, beispielsweise auch an Manipulatoren entlang? Sind PCs mit ausreichend Rechenkapazität vorhanden, um Sensordaten auswerten zu können? In welcher Form soll der Roboter mit seiner Außenwelt kommunizieren? Und ist die Nutzerschnittstelle, z.B. ein Bildschirm, in allen Situationen gut erreichbar?

Sicherheitsaspekte frühzeitig berücksichtigen

Auch Sicherheitsaspekte sollten so früh wie möglich im Konstruktionsprozess berücksichtigt werden. Generell sind die ISO 13482 („Roboter und Robotikgeräte – Sicherheitsanforderungen für persönliche Assistenzroboter“) und gegebenenfalls die DIN 1525 („Sicherheit von Flurförderzeugen – Fahrerlose Flurförderzeuge und ihre Systeme“) und ISO 3691-4 („Flurförderzeuge – Sicherheitstechnische Anforderungen und Verifizierung – Teil 4: Fahrerlose Flurförderzeuge und ihre Systeme“) relevant. Je nach Einsatzbereich müssen jedoch auch die branchenspezifischen Normen, zum Beispiel für den medizinischen oder Agrarbereich, Haushaltsgeräte etc., beachtet werden. Da sich das Fraunhofer IPA auch in der Gremienarbeit für Normungsprozesse engagiert, verfügen die Forscher über Wissen aus erster Hand.

Von der Idee bis zum Funktionsmuster

Das Institut unterstützt Kunden von der Idee bis zum Aufbau eines Funktionsmusters. Dabei wird nicht nur die Hardwareentwicklung unterstützt. Auch im Bereich der Steuerungssoftware und Sensordatenauswertung stehen diverse praxiserprobte Softwarebibliotheken zur Verfügung. Bei Bedarf können Voruntersuchungen zu kritischen Funktionen angeboten werden – zum Beispiel durch Umrüstung bereits vorhandener Roboter. „Dadurch, dass wir Komponenten von vielen gängigen Herstellern verfügbar haben, können wir etwa schnell vergleichen, welcher Sensor das beste Messergebnis liefert“, erklärt Jacobs. Auch praktische Tests zur funktionalen Sicherheit und Mensch-Roboter-Kollaboration könnten in den Labors durchgeführt werden. [jv]

* Simon Baumgarten, M.Sc. ist Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

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