Automatisierung Pancake-Roboter setzt digitale Motive mit Teig um

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Fünf Studierende der Hochschule Bielefeld haben einen Roboter entwickelt, der gezeichnete Motive mithilfe eingefärbten Pfannkuchenteigs auf eine Backfläche überträgt. Dafür kombiniert das System Bildverarbeitung, Pfadplanung, Robotik und Prozesssteuerung.

Fünf Studierende der Hochschule Bielefeld (HSBI) haben im Rahmen ihres Mechatronikstudiums den Pancasso entwickelt. Die Maschine überträgt ein auf einem Tablet gezeichnetes Motiv mithilfe eines Roboterarms und eingefärbten Teigs auf eine Backfläche. Innerhalb von neun Monaten entstand ein funktionsfähiger Demonstrator, der unter anderem bei Veranstaltungen und Messen eingesetzt werden kann.

Vom digitalen Motiv zum Pancake

Wie der Roboter arbeitet, konnten Besucher beim Tag der offenen Tür der HSBI ausprobieren. Zunächst zeichnen sie ein Motiv auf einem Tablet. Dabei stehen vier Farben und verschiedene Formen zur Verfügung. Zusätzlich können sie eigene Elemente frei Hand ergänzen. Aus der Zeichnung erzeugt die Software eine digitale Wegbeschreibung für den Roboter.

Diese Wegbeschreibung wird als G-Code an die Maschine übertragen. Dabei handelt es sich um eine Folge von Koordinaten, die der Roboterarm nacheinander anfährt. „Das gezeichnete Bild wird vom Tablet an die Maschine gesendet. Dort wird es zu einer Art Wegbeschreibung für den Roboter umgebaut, dem sogenannten G-Code“, erklärt Jannes Hartel, Mitglied des fünfköpfigen Entwicklungsteams.

Teigauftrag und Farbwechsel

Anschließend trägt der Roboter den eingefärbten Teig Bahn für Bahn auf die Backfläche auf. Eine Ablaufsteuerung übermittelt dem Roboter die jeweils benötigten Koordinaten und steuert gleichzeitig die Pumpe für den passenden Teig. Wenn das Motiv mehrere Farben enthält, wechselt das System automatisch zwischen den verschiedenen Teigportionen.

„Jetzt beginnt die Ablaufsteuerung. Sie arbeitet die Wegbeschreibung ab und gibt Informationen an den Roboter weiter, damit er die korrekten Koordinaten abfährt“, erläutert Hartel. „Zeitgleich startet der Roboter die Pumpe, die den entsprechend gefärbten Teig nach oben befördert. Wenn es das Motiv erfordert, wechselt der Roboter auch automatisch die Farbe.“

Roboterarm, Pumpen und Pfadplanung

Der Pancasso besteht äußerlich aus einer mobilen Konstruktion mit einem handelsüblichen Crêpe-Eisen und einem daneben montierten Roboterarm. Vier Schläuche führen vom Roboterarm in das Innere der Maschine. Dort befinden sich unterschiedlich eingefärbte Teigportionen in einem Kühlschrank. Pumpen befördern den Teig zu den Düsen am Roboterarm.

Für das Projekt entwickelten die Studierenden unter anderem die Software zur Maschinensteuerung, eine webbasierte Zeichenanwendung und mathematische Modelle zur Berechnung der Roboterpfade. Auch die Kinematik des Roboterarms, die Elektroinstallation, die Konstruktion und die Dokumentation mussten aufeinander abgestimmt werden.

Die Aufgaben im Team wurden entsprechend der jeweiligen Kompetenzen verteilt. Eyk Penderak und Alireza Rezai übernahmen die Elektroinstallation sowie die Planung und Umsetzung der Hardware. Tom Schmitz programmierte die Ablaufsteuerungen. Simon Rüschenschmidt passte den Roboterarm an und entwickelte die Pfaderkennung. Jannes Hartel programmierte die Zeichenanwendung und koordinierte das Projekt.

Praxisprojekt mit Cobot

Für den Aufbau des Systems benötigte das Team unter anderem einen sechsachsigen Roboter. Diesen beschafften die Studierenden beim Unternehmen TMC Robotics in Belgien. Zum Einsatz kommt ein kollaborativer Roboter, kurz Cobot. Er erkennt Kollisionen und ist dadurch für Anwendungen geeignet, bei denen Menschen und Roboter in unmittelbarer Nähe zusammenarbeiten.

Diese Eigenschaft ist für den geplanten Einsatz auf Messen und Veranstaltungen relevant. Dort können Besucher ihre Motive selbst gestalten und anschließend die Herstellung des Pancakes beobachten. Die Maschine arbeitet dabei weitgehend selbstständig, während Bedienung und Ausgabe des fertigen Pancakes durch Menschen erfolgen.

Eine Herausforderung war die Beschaffung der benötigten Materialien. Die HSBI stellte dem Team ein begrenztes Budget zur Verfügung. Weitere Mittel und Komponenten kamen von Unternehmen, die das Projekt durch Geld- und Sachspenden unterstützten. Dazu gehörten auch Backmischungen, mit denen die für den Prozess notwendige gleichmäßige Konsistenz des Teigs erreicht werden konnte.

„Die Aufgabenverteilung hat sich im Laufe des Projektes gefunden“, sagt Simon Rüschenschmidt, ebenfalls Mitglied des Entwicklungsteams. „Wir haben viel diskutiert und Herausforderungen gemeinsam gelöst.“

Weiterentwicklung des Projekts

Das Team präsentierte den Pancasso unter anderem beim Tag der offenen Tür der Hochschule. Auch künftig soll der Roboter bei ausgewählten Messen und Veranstaltungen gezeigt werden. Eine neue Studierendengruppe soll das Projekt im kommenden Semester weiterführen und möglicherweise um zusätzliche Funktionen ergänzen.

Das Projekt verbindet die Entwicklung eines funktionsfähigen Automatisierungssystems mit den Anforderungen an Planung, Dokumentation und Zusammenarbeit mit Industriepartnern. Zugleich zeigt es, wie sich Bildverarbeitung, Pfadplanung und Robotik in einer konkreten Anwendung zusammenführen lassen.