Flexible Inbetriebnahme roboterbasierter Montagesysteme durch Prozessdemonstration

Ecker, Christian; Verl, Alexander; Brecher, Christian

doi:42856

Flexible Inbetriebnahme roboterbasierter Montagesysteme durch Prozessdemonstration = Flexible commissioning of robot-based assembly systems via process demonstration

Ecker, Christian^RWTH*

2023 & 2024

VerantwortlichkeitsangabeChristian Ecker

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 2023,31

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Brecher, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Verl, Alexander (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-10-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11893
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/975208/files/975208.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Automatisierung (frei) ; Montage (frei) ; Programmieren durch Vormachen (frei) ; programming by demonstration (frei) ; Robotik (frei) ; assembly (frei) ; automation (frei) ; robotic (frei) ; sensor fusion (frei) ; Sensordatenfusion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ein dynamisches Marktumfeld sowie eine hohe Variantenvielfalt erschweren es produzierenden Unternehmen zunehmend, wirtschaftliche Betriebspunkte im Produktionssystem einzunehmen. Flexibilitäts- bzw. Wandlungseigenschaften der Betriebsmittel an der Schnittstelle zum gefertigten Produkt sind daher von steigender Bedeutung. In Bezug auf die automatisierte Montage mit roboterbasierten Anlagen mangelt es insbesondere an geeigneten Methoden, die es Mitarbeitern erlauben, Prozesse selbstständig an sich verändernde Montageaufgaben anzupassen. Die vorliegende Arbeit verfolgt daher das Ziel, ein intuitiv bedienbares Interaktionsverfahren für Montagemitarbeiter zu entwickeln, durch das automatisierte Montageabläufe holistisch eingelernt werden können. Der Ansatz verzichtet auf die Verwendung steuerungsspezifischer Programmierverfahren, die ein hohes Maß an Expertenwissen und Koordination bei verteilt gesteuerten Anlagensystemen erfordern. Stattdessen wird eine prozess- bzw. aufgabenorientierte Sicht auf die Steuerungsaufgabe ermöglicht, die an das Domänenwissen des Bedieners anknüpft. Die zum Einlernen verwendete Interaktion wendet das Konzept des „Programmierens durch Vormachen“ bzw. Programming by Demonstration (PbD) an. Technisch besteht die realisierte Interaktionsschnittstelle aus einer Kombination von Bewegungs- und Greifsensorik sowie Bildverarbeitung, durch die der Bediener während der Montagedemonstration erfasst wird. Die Sensordaten werden für ein interaktionsparalleles Tracking der Bedienerhandlungen und darauf aufbauend zur Wiedererkennung definierter Montagegrundmuster genutzt. Durch die unmittelbare visuelle Rückmeldung erkannter Montageschritte resultiert eine direkte Feedbackschleife, die es Bedienern ermöglicht, Abläufe zu validieren und Prozessparameter iterativ anzupassen. Die Interpretation der Sensordaten basiert auf einem Multiagenten-Ansatz sowie einer ereignisgesteuerten Architektur. Zum Informationsaustausch nutzen die implementierten Agententypen ein vorgeschlagenes Kommunikationsprotokoll. Durch den offen und generisch gestalteten Informationsfluss wird eine Erweiterbarkeit um weitere Montagefunktionen und Sensoriken ermöglicht. Es wird die Anwendung und Validierung des Konzeptes anhand einer Demonstrationsanlage gezeigt, die über ein flexibel programmierbares Robotersystem und flexibel bzw. universell nutzbare Funktionsmodule zur Montage verfügt. Weiterhin wird eine Integration des Interaktionsverfahrens im Rahmen eines umfassenden Engineering-Überbaus beschrieben. Die abschließende Bewertung charakterisiert den ausgestalteten Inbetriebnahmeansatz in seiner Wirkung auf den interagierenden Bediener (Usability) und die erreichte Flexibilität für die Montageorganisation. Zudem liefert sie eine Einschätzung über die Leistungsfähigkeit der technischen Lösungsbestandteile.

A dynamic market environment and a high number of variants are making it increasingly difficult for manufacturing companies to adopt cost-effective operating parameters for their production system. Flexibility and adaptability of the production equipment at the interface to the manufactured product are therefore of increasing importance. Regarding automated assembly using robot-based systems, there is a particular lack of suitable methods that allow employees to adapt processes independently to meet new requirements. Therefore, this thesis focuses on the development of an intuitive interaction method for assembly workers, which enables the holistic learning of automated assembly processes. The approach avoids the use of control-specific programming procedures, which would require a high degree of expert knowledge and coordination of distributed control systems. Instead, a process -oriented view of the control task is provided, which is aligned with the domain knowledge of the operator. The interaction method applies the concept of "programming by demonstration" (PbD). Technically, the realized interaction interface consists of a combination of motion and gripping sensors as well as image processing, by which the operator is detected during assembly demonstration. The sensor data is used for interaction-parallel tracking of the operator's actions and, subsequently, for the recognition of defined basic assembly patterns. The immediate visual feedback of recognized assembly steps results in a direct feedback loop that enables operators to validate assembly sequences and iteratively adjust process parameters. The interpretation of sensor data is based on a multi-agent approach and an event-driven architecture. For information exchange, the implemented agent types use a proposed communication protocol. The open and generic design of the information flow facilitates extensibility by additional assembly functions and sensor systems. The application and validation of the concept is shown using a demonstration system equipped with a freely programmable robot system and flexibly and universally usable function modules for assembly. Furthermore, the integration of the interaction method into a comprehensive engineering framework is described. The final evaluation characterizes the designed commissioning approach in its effects on the interacting operator (usability) and the achieved flexibility for the assembly organization. It also provides an assessment of its technical components' performance.

OpenAccess:
PDF
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