Creative robotics : robots for skill digitization

Braumann, Johannes; Beetz, Jakob; Brell-Cokcan, Sigrid

doi:44943

Creative robotics : robots for skill digitization

Braumann, Johannes^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Johannes Braumann

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak02

Hauptberichter/Gutachter
Beetz, Jakob (Thesis advisor)^RWTH* ; Brell-Cokcan, Sigrid (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-11035
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1024176/files/1024176.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Computergestütztes Entwerfen (211220)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
KUKA|prc (frei) ; computational design (frei) ; creative robotics (frei) ; digital fabrication (frei) ; flow-based robot programming (frei) ; human–robot collaboration (frei) ; skill digitization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 720

Kurzfassung
Digitalisierung und Automatisierung sind treibende Kräfte der industriellen Fertigung. Eine zentrale Technologie in diesem Bereich sind Roboterarme – multifunktionale Maschinen, die ihren Ursprung in der Automobilindustrie haben und heute in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern eingesetzt werden. Obwohl Roboterarme als Technologie bereits seit sechs Jahrzehnten verfügbar sind, finden sie erst seit vergleichsweise kurzer Zeit eine breitere Anwendung in der Kreativindustrie. Ein wesentlicher Faktor für diese Entwicklung ist die Schaffung neuer, domänenspezifischer Robotersteuerungsschnittstellen, die gezielt auf die Anforderungen der Kreativbranche optimiert sind. Flussbasierte, visuelle Programmierplattformen haben parametrisches Design und algorithmisches Entwerfen auch für Architekt:innen, Designer:innen und Handwerker:innen zugänglich gemacht. Die hier vorgestellte Forschung baut auf diesen Technologien auf und erweitert sie um eine Umgebung zur Programmierung, Simulation und Steuerung von Industrierobotern. Generische Roboterprogrammiersoftware ist auf industrielle Massenfertigung optimiert, bei der Roboter eine Reihe vergleichsweise kurzer, vorprogrammierter Aufgaben ausführen, während ein komplexes, übergeordnetes Steuerungssystem die Produktion synchronisiert. Im Gegensatz dazu werden Roboterprozesse in der Kreativbranche häufig für kleine Losgrößen und individualisierte Fertigung eingesetzt. Die Bewegungen des Roboters werden dabei auf Grundlage parametrischer Geometrie generiert. Diese Komplexität lässt sich nur durch benutzerzentrierte, leicht zugängliche Software bewältigen, die es Personen mit spezifischen Material- oder Prozesskenntnissen ermöglicht, ihr Fachwissen im Rahmen der robotergestützten Fertigung anzuwenden. Dieser Prozess wird als „Skill Digitization“ bezeichnet und anhand einer Reihe von Fallstudien vorgestellt. Eine zentrale Herausforderung stellt das Aufbrechen geschlossener Systeme dar: Da Roboterhersteller ihre proprietären Algorithmen nicht veröffentlichen, ist es notwendig, zahlreiche technische Aspekte der Robotersteuerung mittels Reverse Engineering zu erschließen und darauf aufbauend eine stark zweckoptimierte Softwarearchitektur zu entwickeln. Diese ist darauf ausgelegt, die Datenflüsse robotischer Prozesse innerhalb der visuellen Programmierumgebung effizient zu verarbeiten, zwischenzuspeichern und zu visualisieren. Diese Arbeit untersucht das Potenzial solcher spezialisierten Datenflüsse im Kontext der Kreativindustrie, mit besonderem Fokus auf ihre Realisierbarkeit, die Vorteile erhöhter Zugänglichkeit sowie ihr disruptives Potenzial zur Ermöglichung völlig neuer Produkte und Dienstleistungen. Die entwickelte Software KUKA|prc dient als Proof of Concept, implementiert die in dieser Arbeit entwickelten Ansätze und bildet die Grundlage für die vorgestellten Fallstudien.

Digitization and automation are powering today’s industrial fabrication. A core technology in this area is robotic arms - multi-functional machines that originated in the automotive industry and are now used in a wide range of fields. Although robotic arms have been available as a technology for six decades, they have only recently found more widespread use among creative users. An essential factor enabling this development is the creation of new, domain-specific robot control interfaces optimized for the requirements of the creative industry. Flow-based, visual programming platforms have brought parametric design and algorithmic approaches beyond large, high-tech offices to individual architects, designers, and craftspersons. The research presented in this thesis builds upon these technologies and integrates them with an environment for programming, simulating, and controlling industrial robots. Generic robot programming software is optimized for industrial mass fabrication, which uses multiple robots to perform a series of comparably short, pre-programmed tasks with a complex, high-level control system keeping the production synchronized. In contrast, robotic processes in the creative industry often implement (mass) customization. They are highly geometry-informed, with the robot’s movements being generated based on parametric geometry, generally resulting in complex, long-running production processes. This complexity can only be managed through user-centric, accessible software that allows individuals with specific material or process knowledge to apply their expertise within the context of robotic fabrication. This process is referred to as “Skill Digitization” and is presented through a series of case studies. A central challenge in achieving this goal is the closed system of robotic arms: As robot manufacturers do not publish their proprietary algorithms, it is necessary to reverse-engineer many technical aspects of robot control and to set up a custom software architecture that is optimized to efficiently process, buffer, and visualize the data flows of robotic processes within the visual programming environment. This thesis explores the potential of these specialized data flows within the context of the creative industries, with a focus on their viability, the benefits of accessibility, and the disruptive potential towards enabling entirely new products and services. The developed software KUKA|prc serves as a proof of concept, implementing the approaches developed in the thesis and forming the foundation for the presented case studies.

OpenAccess:
PDF
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