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In diesem von Innosuisse finanzierten Impuls-Projekt haben die Swiss Smart Factory (SIPBB) und die Projektpartner F&P Robotics, nViso, mimacom, Institute for Human Centered Engineering (HuCE) und Haute Ecole Arc Ingénierie (HES-SO) ein System mit künstlicher Intelligenz, digitaler Prozesskontrolle, automatischem Lernen und visueller Anleitung entwickelt.
Das Projekt verfolgt folgende Ziele:
- Ein Arbeiter soll einem Cobot beibringen wie eine Aufgabe ausgeführt werden muss, so wie er/sie es einem menschlichen Kollegen beibringen würde.
- Ein Cobot soll fähig sein mit einem Arbeiter zusammenzuarbeiten, um eine Aufgabe gemeinsam zu erledigen.
- Dies wird es Schweizer Firmen erlauben effizienter und weithin global konkurrenzfähig zu sein.
Roboter können Menschen bei monotoner oder körperlich anstrengender Arbeit entlasten. Die Zusammenarbeit zwischen Menschen und Roboter ist bereits heute möglich, erfordert aber qualifiziertes Personal (z.B. erfahrene Roboterprogrammierer, welche für kleine KMUs zu teuer sind). Roboter sind oft sehr knifflig zu programmieren und können sich nicht spontan oder intuitiv den Aufgaben anpassen.
Das Projekt fängt mit folgenden Forschungsfragen an:
- Warum sind Roboter oft schwer zu programmieren?
- Könnten Roboter intuitiv programmiert werden, wenn ein Mitarbeiter eine Aufgabe vorzeigt und der Roboter diese wiederholt?
Ansatz und Umsetzung
In der ersten Phase des Projekts wurden die einzelnen Anforderungen der Zielsetzung «intuitives programmieren für Cobots» zusammen mit den Umsetzungspartnern erstellt. Eine modulare Software-Architektur wurde basierend auf den unterschiedlichen Beschlüssen über diese Anforderungen entworfen.
Die Software-Module werden in der «Big Picture» Übersichtsgrafik aufgezeigt. Vier unterschiedliche Gruppen wurden vor der etablierten Softwarearchitektur abgeleitet: «System», «Benutzeroberfläche», «Arbeitsplatz» und «Aufgabenwissen». Die «System»-Gruppe beinhaltet die Grundfunktionalitäten und ist auf eine definierte Art und Weise verbunden, welche es dem Benutzer erlaubt, dem Cobot durch Interaktionen etwas zu lehren.
Die individuellen Module vom «System» haben folgende Bedeutungen:
- Der Aktionsmanager wird für Systemkoordination eingesetzt und beinhaltet eine grafische Benutzeroberfläche (GUI). Dieses Modul wurde ursprünglich von Projektpartnern BFH und mimacom erschaffen. In der letzten Projektphase wurde es durch Swiss Smart Factory (SIPBB) weiterentwickelt.
- Das Modul Ausführungsautomatisierung ist eine generische Roboterschnittstelle. Das bedeutet, dass das System die Befehle, welche intern für viele unterschiedliche Cobots benutzt werden, wiederverwenden kann. Das Ausführungsautomatisierungsmodul ist für die Cobot-Kontrolle verantwortlich und wurde von Projektpartnern BFH und F&P Robotics entwickelt.
- Der Wahrnehmungsarbeitsbereich wandelt die Umgebungssensordaten in konkrete Information um. Die Umsetzung von allen Wahrnehmungsmodulen beinhaltet Funktionen der künstlichen Intelligenz und wurde von Projektpartnern nViso und HES-SO durchgeführt.
- Das Führungsmodul stellt das visuelle und akustische Feedback für den Operator bereit. Zum einen ist das der Statusbericht von den Resultaten eines Qualitätstests und zum anderen sind das die hilfreichen Anleitungen für den Benutzer wie dieser das System benutzen soll. Das Führungsmodul wurde von den Projektpartnern mimacom und Swiss Smart Factory (SIPBB) entwickelt.
Falls Sie mehr über die Funktionsweise des Systems wissen wollen, schicken Sie uns bitte eine Email an: <email-pii>
Wir werden Ihnen gerne helfen und freuen uns Ihnen detailliertere Information zu Verfügung zu stellen.
Anwendungsfälle für die Cobots und das Softwaresystem
Drei unterschiedliche Fälle für industrielle Anwendungen wurden aufgesetzt um die Systembedingungen mit den Umsetzungspartnern zu testen und zu validieren. Um die Anwendungsfälle besser zu verstehen hat das Projektteam vier Videos am Ende des Projekts erstellt. Diese sind auf Youtube verfügbar.
1. Anwendungsfall: Reinigung von Objekten in Industrieanlagen oder in Industrieküchen
Das Entladen von Objekten in der Industrie ist eine monotone Arbeit. Man kann das Entladen von Geschirr in grossen Küchen transferieren. In diesem spezifischen Fall benutzt F&P Robotics den Cobot P-Rob 3 mit einer Geschirrentladefunktion. Andere industrielle Partner haben bereits ihr Interesse an Entladung von hergestellten Teilen für den Waschprozess angemeldet.
2. Anwendungsfall: die Übergabe von passenden Teilen während eines Montageprozesses oder die Zustellung von Wasserbechern im Gebäudeinneren.
In Altersheimen wird regelmässig Wasser an die Bewohner verteilt . Ein autonom fahrender Roboter wie Lio kann für die Automatisierung dieser Aufgabe eingesetzt werden, wie es in unserem Konzeptnachweis aufgezeigt wurde. Dies gibt den Krankschwestern mehr Zeit für essentielle Pflegeaufgaben . In ähnlicher Weise kann ein solches System in einer industriellen Einrichtung für Komponentenausgabe beim Fliessband eingesetzt werden. Der Arbeiter kann sich auf die Aufgaben konzentrieren, die menschliches Handgeschick erfordern während der Roboter sich um die Zustellung von Komponenten kümmert.
3. Anwendungsfall: Sensorverpackung in Produktion
Das Projektteam hat die Verpackung von wiederkehrenden Teilen direkt aus einer industriellen Anwendung genommen. Drei Teile werden in die Verpackung eingefüllt und diese wird anschliessend versiegelt. Der Arbeiter braucht 2 Sekunden pro Verpackung. Das heisst er/sie kann 30 Sensoren in 60 Sekunden einpacken, 1800 in einer Stunde und 14‘400 während eines Arbeitstages. Die Verpackungsleistung von über 10‘000 Sensoren ist zwar sehr beeindruckend, dabei werden aber die Fähigkeiten eines Arbeiters nicht voll genutzt. Ein Cobot wird benutzt um zu aufzeigen, wie der gleiche Arbeiter nun mehrere Verpackungsstationen gleichzeitig aufsetzten kann. Diese Aufgabe qualifiziert den Mitarbeiter und erlaubt es ihm/ihr andere wertvollere Aufgaben zu erledigen.
Resultate
Die drei Anwendungsfälle in diesem Projekt zeigen, dass es einem Arbeiter technisch möglich ist, einem Cobot die Ausführung einer Aufgabe so beizubringen, wie er es einem Menschen beibringen würde. Dafür benützt er/sie ein Tablet zur Programmierung, Handgestern oder die Stimme. Der Cobot wird dann die ausgewählte Aufgabe für den Menschen ausführen.
Anwendungsfälle 1 «Abräumen von Objekten in Industrieanlagen» und 2 «Übergabe von passenden Teilen im Montageprozess» wurden beide erfolgreich in den Living Labs von F&P Robotics getestet. Generell, die Erkennungsfähigkeit, die Verarbeitung und die Reaktionen von unterschiedlichen Benutzerschnittstellen wurden basierend auf Gestik, Sprache, Tablet und Bewegungen als Eingabemöglichkeiten getestet. Das System hat alle Eingabemöglichkeiten gut akzeptiert. Dies bietet Flexibilität beim Programmieren abhängig von dem Anwendungsfall, den Fähigkeiten und den Vorlieben des Benutzers. Das Feedback an den Mitarbeiter basiert auf der erweiterten Wirklichkeit (augmented reality) und leitet den Mitarbeiter auf eine gezielte Art und Weise am Arbeitsplatz. Das akustische Feedback wurde auch sehr positiv von den Umsetzungspartnern bewertet.
Anwendungsfall 3 «Sensorverpackung» wurde vom September 2020 bis April 2021 in einer parallelen Ausstellung «Biel/Bienne 4.0» öffentlich im neuen Museum Biel/Bienne präsentiert.
YouTube
Alle, die die erste Ausstellung verpasst haben, können sich den Demonstrator «Sensor Verpackung» vom Juni 2021 bis Dezember 2021 im neuen Museum Biel/Bienne anschauen und testen.
Die graphischen Benutzeroberflächen für die Programmierung vom Roboter wurden von vielen Museumbesuchern getestet – die Mehrheit waren keine Experten. Das beobachtete Verhalten und das Feedback, das durch den Anwendungsfall 3 erhalten wurde, hat gezeigt, dass die intuitive Cobotic Arbeitsstation sehr einfach zu benutzen ist.
Das Projekt zeigt die Möglichkeiten wie Schweizer Firmen effizienter werden und weiterhin global kompetitiv sein können, in dem sie Cobotics in ihren industriellen Prozessen einführen.
Outlook
Für die universelle Benutzung von «True Cobotic System» werden die Projektmitglieder weitere Forschungsprojekte und Umsetzungen durchführen. Folgende essentielle Aufgaben sind geplant:
1) Erweiterung vom benutzen Cobotgreifern mit anderen Greiferformen. F&P Robotics hat zahlreiche Muster für verschiedene Greifersituationen designt, welche für weitere Ansätze benutzt werden können.
2) Das Beibringen von neuen Teilen, die Mitarbeiter intuitiv während ihrer Arbeitsaufgabe begreifen. Mimacom und nViso bieten verschiedene grafische Schnittstellen und Erkennungsmodelle, welche adaptiert werden können.
Alle Partner und Innosuisse bewerten den Impuls in diesem Projekt für das intuitive System als einen spannenden Anfang für die Weiterentwicklung dieser Anwendung.
Das entwickelte System erlaubt es den Mitarbeitern ohne technisches Hintergrundwissen mit Hilfe einer intuitiven Schnittstelle einen Roboter zu trainieren um definierte Aufgaben auszuführen.
Dieses intuitive Cobotic-System eignet sich auch für andere Unternehmen in ähnlichen Situationen.
Sind Sie an diesem Projekt oder an ähnlichen Anwendungen für Ihr Unternehmen oder Ihre alltägliche Umgebung interessiert? Wir freuen uns mehr über Ihre Anwendungsidee zu erfahren und zusammen mit Ihnen ein Produkt oder eine spezifische Installation für die Schweizer Industrie zu entwickeln.
Bitten kontaktieren Sie uns für ein erstes Meeting: <email-pii>
Ein Innosuisse Impuls Projekt zusammen mit Swiss Smart Factory (SIPBB) und Projektpartnern: