VRoboCoop

IBW/EFRE & JTF gefördertes Projekt zur Erforschung von eindeutig berechenbaren Darstellungsformen von MRK-Prozessen für kollaborative Robotikprozesse

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Projektziel:

Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, den Stand der Wissenschaft in den Bereichen der Modellierung von maschinellen bzw. kollaborativen Arbeitsprozessen im Hinblick auf Verifizierbarkeit und Berechenbarkeit auf Basis mathematischer Modelle zu erweitern. Auf Basis der entwickelten Methoden sollen langfristig die Digitalisierung von Arbeitsprozessen jeglicher Art vereinfacht und die Hemmschwelle für den Einsatz von Robotertechnik gemeinsam mit Menschen reduziert werden. Weiters soll das Vertrauen in roboterbasierte Systeme nachhaltig gestärkt und das Themenfeld für die angewandte Forschung breiter zugänglich werden.

Folgende primären Forschungsfragen werden bearbeitet:

RQ1: Wie müssen zukünftig kollaborative Arbeits-, Inspektions- und Wartungsprozesse der Zukunft gestaltet sein, um diese mit kollaborativen Robotersystemen sicher und verifizierbar unterstützen zu können?
RQ2: Mit welcher Methode lassen sich Bewegungsabläufe kollaborativer Robotersysteme mathematisch eindeutig beschreiben und mögliche Kollaborationen in Echtzeit berechnen?
RQ3: Wie muss eine Beschreibungsmethodik gestaltet sein, um Arbeits-, Inspektions- und Wartungsprozesse sowie die beteiligten Hard- und Softwarekomponenten als berechenbares und verifizierbares System im Hinblick auf Sicherheit und Effizienz zu beschreiben?

Erwartete Ergebnisse:

Zum Nachweis sicherer Operationen bedarf es mathematisch berechenbarer und mit definierter Wahrscheinlichkeit definierbarer Handlungen des Roboters im Arbeitsumfeld des Menschen. Diese Handlungen umfassen alle Bewegungsvorgänge des Roboters mit definierter Position bzw. Kraft. Die mathematische Lösungsvorschrift wird durch ein dynamisches Modell des Roboters in allen Freiheitsgraden beschrieben. Beispielsweise hat ein herkömmlicher Knickarm-Roboter 6 Freiheitsgrade, da er über 6 (meist rotatorische) Gelenke verfügt.

Da die allgemeine Berechnung für alle Möglichkeiten im gesamten Arbeitsraum mathematisch nicht eindeutig unlösbar ist, bedarf es einer Reduktion der möglichen Parameter. Dies soll durch präzise Arbeitspläne, welche sowohl die Tätigkeiten des Menschen als auch die Tätigkeiten des Roboters beinhalten, erreicht werden. Durch die exakte Modellierung einzelner Handgriffe und Bewegungen auf Basis der zu erledigenden Aufgaben soll eine signifikante Reduktion des Lösungsraums für die Berechnung der notwendigen Parameter erreicht werden.
Da sich Menschen natürlich nicht exakt an vorgegebene Arbeitsanweisungen halten, werden die einzelnen Schritte mit örtlichen und zeitlichen Wahrscheinlichkeiten behaftet, welche optional im Zuge kontinuierlicher und stichprobenartiger Prozessaufzeichnungen (wie diese beispielsweise bei REFA-Messungen durchgeführt werden) optimiert. Ebenso kann hier eine robuste Personenerkennung wie z.B. OptiTrack 60oder TofMotion61 zum Einsatz kommen. Ebenso gibt es parallel dazu wissenschaftliche Bemühungen, die Grundlagen hinter diesen Systemen weiter zu erforschen und zu optimieren (siehe Partnerprojekt PROFACTOR).

Das geplante Konzept kombiniert daher 3 wissenschaftlich/technische Ansätze wovon 2 als hinreichend
zur Zielerreichung des Projekts angesehen werden:

Diskrete Modellierung von Roboter-Mensch-Arbeitsprozessen
Mathematische Modellbildung von dynamischen Mehrkörpersystemen
Robuste Prozessbeobachtung bzw. Personen/Robotererkennung (siehe Partnerprojekt mit PROFACTOR)

Die Kombination mehrerer wissenschaftlicher und auch technischer Ansätze macht eine flexible Kopplung der Systeme und deren Komponenten mit geeigneten Schnittstellen erforderlich. Nachfolgend ist die geplante Architektur sowie die daraus entstehenden Projektergebnisse E1 – E4 dargestellt:

E1: Modellierungssprache für mathematisch, kompatible Beschreibung von Montageabläufen und den enthaltenen Bewegungsabläufen und Kinematiken
E2: Inverse Dynamik & Adaptive Bahnplanung
E3: Digitaler Zwilling vom kollaborativen Mensch-Roboter Arbeitsprozess
E4: Aufbau realer Demonstrations- und Evaluierungszelle