Simulation

In diesem Abschnitt finden Sie neue Simulationsmöglichkeiten für MRK: Simulation des Menschen, des Roboters und der Peripherie

Warum MRK simulieren?

Die Planung, Realisierung, Inbetriebnahme und der Betrieb von MRK sowie die Einhaltung aller Normen und die Gewährleistung der Systemsicherheit stellen einen komplexen Sachverhalt dar, da durch das Zusammenspiel von Mensch und Roboter komplexe Wirkzusammenhänge bestehen. Sie können kaum ohne digitale Hilfsmittel in allen Facetten betrachtet werden. Deshalb sind Simulationen gerade für die MRK wesentlich.

 

Die Simulation macht das Systemverhalten begreifbar, ohne das hierfür reale Experimente nötig sind. Somit werden Kosten für die Anschaffung physischer Objekte sowie das Risiko schadenverursachender realer Experimente und somit Schaden am Menschen sowie finanzieller Schaden vermieden. Simulation verlagert den Prozess der Systemoptimierung bereits in die Planungsphase und kann so die reale Inbetriebnahme bis zur Serienreife wesentlich beschleunigen. Sie ermöglicht Demonstrationen und veranschaulicht komplexe MRK-Systeme und deren Prozesse durch Animation.

Was ist bei MRK zu simulieren?

Ausgehend von einem bereits bestehenden manuellen Arbeitsplatz, der zu einem MRK-Arbeitsplatz transformiert werden soll, unterteilt sich die Simulationsaufgabe in die Simulation des Menschen, des Roboters sowie der Peripherie. Wesentliche Zielgrößen sind Bahnbewegungen und auftretende Kräfte, um die Umsetzungsfähigkeit eines Prozesses und die Sicherheit zu gewährleisten. Außerdem spielt in diesem Zusammenhang auch die Peripherie, z.B. Greifer und Sensorik eine bedeutende Rolle.

 

Die Abbildung zeigt die Hauptbestandteile einer MRK-Simulation.

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Bewertungskriterien für Simulationssoftware für MRK

Die Auswahl der Simulationssoftware stellt sich bei MRK als besonders schwierig heraus, da bisherige Software sich entweder auf Robotik oder auf den Menschen konzentrierte. Erste neuere Entwicklungen sorgen für eine Integration des jeweils anderen Bereichs in die Software. Das hat zur Folge, dass für eine umfängliche Simulation oftmals mehrere Softwareprodukte benötigt werden. Inwieweit die Anschaffung von Simulationssoftware für die Planung von MRK für KMU wirtschaftlich ist, ist im Einzelfall zu prüfen. Gegebenenfalls lohnt es sich für solche Unternehmen auf externe Dienstleister zurückzugreifen. Für die Bewertung potentieller Simulationssoftware empfehlen sich folgende Kriterien:

  • Implementierung von Normen
    Wurden relevante Normen innerhalb der Software implementiert? (Insbesondere diejenigen zur sicherheitsgerechten Arbeitsplatzgestaltung)
  • Gemeinsame Modellierung und Simulation von Mensch und Roboter
    Software fokussiert sich i.d.R. auf den Menschen oder den Roboter. Für eine MRK-Untersuchung ist jedoch eine gemeinsame Betrachtung essentiell.
  • Import von Roboterbewegungen in die Planungssoftware
    Um die Interaktion zwischen der menschlichen Bewegung und der programmierten Kinematik des Roboters möglichst genau untersuchen zu können, ist der Import von Kinematikdaten un-terschiedlicher Hersteller von besonderer Relevanz.
  • Deklaration von Eingriffszonen und Kollisionserkennung
    Die verwendeten Softwaresysteme sollten durch die Möglichkeit einer Deklaration und Auslegung von Eingriffs- und Kontaktzonen die Analyse und Klassifikation potenzieller Kollisionen zwischen Mensch und Roboter unterstützen.
  • Unterstützung standardisierter Schnittstellen und Datenformate
    Um vorhandene oder spezialisierte Softwaresysteme zu integrieren, einen fehlerfreien Daten-austausch zwischen verschiedenen Planungswerkzeugen zu ermöglichen sowie mit einer konsistenten Datenbasis arbeiten zu können, ist eine umfassende Unterstützung diverser Softwareformate nötig. 
  • Wirtschaftliche Anforderungen
    Dazu zählen Anschaffungs-, Installations- und Schulungskosten sowie laufende Kosten für Personal, Software- und Datenpflege sowie ggf. weitere Schulungen.
  • Unternehmensspezifische Anforderungen
    Hierbei sind die Kompatibilität zur vorhandenen Unternehmensinfrastruktur, das Vorhandensein von qualifiziertem Personal sowie verfügbare Ressourcen und IT- und Planungsstrategien zu beachten. 

Einsatz der Robotersimulation bei der Offline-Programmierung

Unter OLP oder Offline-Programmierung wird die virtuelle Roboterprogrammierung mittels einer Software am Computer verstanden. Der Roboter in physischer Form wird dabei virtuell simuliert. Im Gegensatz dazu findet die Online-Programmierung direkt am Roboter statt. Das OLP-Verfahren ist besonders geeignet, wenn sehr aufwendige Bahnen untersucht werden sollen. Außerdem lassen sich Änderungen sehr einfach, schnell und kostengünstig durchführen.  Nachfolgend werden unterschiedliche Möglichkeiten zur softwaregesteuerten Robotersimulation vorgestellt.

ROS Anbindung

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Für eine zuverlässige Evaluation der MRK-Applikation ist eine realitätsnahe Simulation der Automatisierungskomponenten notwendig. ROS ermöglicht in diesem Zusammenhang die Ansteuerung von Robotern, Endeffektoren und Sensoren unter Berücksichtigung der jeweiligen Umgebung. Hierbei stehen herstellerübergreifende Treiber und Pakete sowie zahlreiche Algorithmen aus den Bereichen der Bahnplanung, Datenverarbeitung und Kollisionsprüfung zur Verfügung. Zur Realisierung der Daten- und Kommunikationsschnittelle zwischen ema und ROS wurde u.a. eine entsprechende Prozessbeschreibung für automatisierungstechnische Verrichtungen (Prozessbausteine) implementiert. Durch die Kopplung des ema Work Designers mit der ROS-basierten Roboter- und Peripheriesimulation ist es im Rahmen des Projektes gelungen, dem Anwender eine ganzheitliche Simulationsumgebung für die Planung individueller MRK-Applikationen zur Verfügung zu stellen.


Beispielhafte Simulationssoftware

Hauptschwerpunkt bei der Simulation von MRK-Arbeitsplätzen stellt die Kombination von bereits am Markt existierenden Lösungen zur Menschsimulation mit einer validen Robotersimulation dar. Hierbei erfolgt die Integration von Planungs- und Bewertungsfunktionen der Automatisierungstechnik, basierend auf dem Robot Operating System (ROS), in das Planungssystem ema Work Designer der Firma imk automotive GmbH. Mit Hilfe des digitalen Planungssystems ema Work Designer können Arbeitsprozess und Produkte bereits im Planungsprozess virtuell abgebildet und nach ergonomischen sowie wirtschaftlichen Kriterien bewertet und gestaltet werden.


Weiterführende Literatur

  • Kai Lemmerz, Paul Glogowski, Henry Arenbeck, André Barthelmey, Lena Strothotte, Alfred Hypki, Bernd Kuhlenkötter und Jochen Deuse: Kollaborative Montagesysteme - Digitale Gestaltung, Simulation und In-tegration in variable Produktionsszenarien In: Productivity Ausgabe 4-2017.
  • Paul Glogowski, Kai Lemmerz, Lena Schulte, u.a.: Task-based Simulation Tool for Human-Robot Collaboration within Assembly Systems. Tagungsband des 2. Kongresses Montage Handhabung Industrieroboter. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg, 2017.
  • Kai Lemmerz, Paul Glogowski, Alfred Hypki, u.a.: Functional Integration of a Robotics Software Framework into a Human Simulation System, ISR 2018; 50th International Symposium on Robotics, Munich, Germany, 2018.
  • Wolfgang Leidholdt, Lars Fritzsche, Sebastian Bauer, u.a.: Editor menschlicher Arbeit (ema): Vom digitalen Menschmodell zum virtuellen Facharbeiter. In: Bullinger-Hoffmann AC, Mühlstedt J (Hrsg.) Homo Sapiens Digitalis - Virtuelle Ergonomie und digitale Menschmodelle. Berlin, Heidelberg: Springer, 2016.
  • Buczek, O.-J. (2017): Entwicklung von Kriterien und Merkmalen zur Auswahl von Softwaresystemen zur Planung und Nutzung von Mensch-Roboter-Kollaboration mit Fokus auf kleine und mittlere Unternehmen. Abschlussarbeit an der TU Chemnitz im Rahmen des Projektes KUKoMo.
  • Gunter, Reinhardt; Alejandro, Magaña Flores et al. (2018), S. 149f. Industrie-Roboter, Planung – Integration – Trends; Ein Leitfaden für KMU.
  • Bracht, U.; Geckler, D.; Wenzel, S. (2011): Digitale Fabrik –Methoden und Praxisbeispiele. Springer Verlag.

KoMPI

Technische Universität Dortmund

Institut für Produktionssysteme

 

Ruhr-Universität Bochum

Lehrstuhl für Produktionssysteme

 

SafeMate

Leibniz Universität Hannover

Institut für Fabrikanlagen und Logistik

 

Leibniz Universität Hannover

Institut für Montagetechnik

 



Förderhinweis

Diese Forschungs- und Entwicklungsprojekte (KUKoMo 02P15A02x, KoMPI 02P15A06x, SafeMate 02P15A08x) wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.