Bild- und Ontologie-gestützte Roboterregelung für Smarte Zerlegeprozesse; im Verbundprojekt: SmartDis - Smart Disassembly with a knowledge-based automation system

Abstract

Die Zerlegung ausgesonderter oder defekter elektrischer Produkte (sog. Elektroschrott) ermöglicht die Wiederverwertung von Komponenten und Materialien und stellt damit einen essentiellen Beitrag zur Erhöhung der Ressourceneffizienz und zur Reduktion der Umweltverschmutzung dar. Elektroschrott-Recycling wird meist manuell durchgeführt und die wenigen industriell existierenden Demontageanlagen weisen i. A. nur einen geringen automatisierten Anteil auf und sind typischerweise direkt auf einen konkreten Produkttyp zugeschnitten. Zur Bewältigung der stark wachsenden Menge an Elektroschrott sind die Flexibilisierung der Teilprozesse bezüglich veränderter Produktreihen, die Adaptivität der Gesamtanlage und deren Effizienzsteigerung wesentliche Faktoren, welche nur durch einen höheren Automatisierungsgrad und die Integration geeigneter Robotersysteme erzielt werden können. Ähnliche Schlussfolgerungen gelten in analoger Weise für andere Recycling- und Demontageprozesse z. B. Automobile, Boote oder Bauschutt. Wesentlich zum Erreichen höherer Automatisierungsgrade ist die Entwicklung und Implementierung eines automatisierten roboterzentrierten Demontagesystems, das sich autonom an die jeweiligen Vorgaben und Beschränkungen anpasst, welche zur Demontage eines gegebenen Produktes notwendig sind. Das vorliegende Projekt hat sich dieser Thematik durch die Verknüpfung von geeigneten Ontologien, Bildverarbeitung und Objekterkennung und Robotik sowie Regelungstechnik gewidmet. Die Ontologie dient dabei der semantischen Beschreibung des produktzentrierten Demontageprozesses. Mittels der kamerabasierten Objekterkennung werden insbesondere relevante Komponenten des betrachteten Bauteils identifiziert und geometrisch lokalisiert. Aus diesen ergeben sich dynamische Vorgaben für die Bewegungsabfolge des Roboters zur Umsetzung der einzelnen Demontageschritte. Im Teilvorhaben „Bild- und Ontologiegestützte Roboterregelung für Smarte Zerlegeprozesse“ wurden echtzeitfähige modellbasierte Methoden zur kamera- und ontologiegestützten Pfad- und Trajektorienplanung sowie zur kombinierten Positions- und Orientierungsregelung für Manipulatoren zur Umsetzung von Demontageprozessen entwickelt. Die mathematische Modellierung beinhaltete die Erzeugung eines digitalen Zwillings von Robotersystem und Prozess und diente zudem der Entwicklung systematischer Regelungskonzepte. Für die Demontage notwendige Werkzeugwechsel und die entsprechende automatische Anpassung des Planungs- und Regelungskonzepts wurden untersucht. Die Entwicklungen wurden in einem Demonstrator zur Mensch-Maschine-integrierten Demontage von Antennenverstärkern mit Bestandshardware experimentell umgesetzt. Hierbei konnten zu einen die Funktionalität und die Robustheit des entwickelten Konzepts bestätigt werden. Zum anderen wurde gezeigt, dass eine teil-autonome Demontage ggf. im Rahmen einer Mensch-Maschine-Interaktion auch mit Standard-Hardware realisiert werden kann, wodurch die Flexibilität und die Wirtschaftlichkeit des automatisierten Prozesses deutlich erhöht werden können. Datei-Upload durch TIB The dismantling of discarded or defective electrical products (so-called e-waste) enables the recycling of components and materials and thus makes an essential contribution to increasing resource efficiency and reducing environmental pollution. Ewaste recycling is usually carried out manually and the few industrially existing dismantling facilities generally only have a small automated proportion and are typically tailored directly to a specific product type. In order to cope with the rapidly growing volume of e-waste, the flexibilization of sub-processes with regard to changing product ranges, the adaptability of the overall system and its increased efficiency are key factors that can only be achieved through a higher degree of automation and the integration of suitable robotic systems. Similar conclusions apply analogously to other recycling and dismantling processes, e.g., automobiles, boats or construction waste. Essential to achieving higher levels of automation is the development and implementation of an automated robot-centered dismantling system that adapts autonomously to the respective specifications and restrictions that are necessary for dismantling a given product. This project has addressed this issue by linking suitable ontologies, image processing and object recognition with robotics and control systems engineering. The ontology is used to semantically describe the product-centered disassembly process. Camerabased object recognition is used in particular to identify and geometrically localize relevant components of the part under consideration. This results in dynamic specifications for the robot's motion sequence for implementing the disassembly steps. In the sub-project “Image- and ontology-based robot control for smart disassembly processes”, real-time capable model-based methods for camera- and ontology-based path and trajectory planning as well as for combined position and orientation control for manipulators for the implementation of disassembly processes were developed. The mathematical modeling included the creation of a digital twin of the robot system and process and also served to develop systematic control concepts. Tool changes required for disassembly and the corresponding automatic adaptation of the planning and control concept were investigated. The developments were implemented experimentally in a demonstrator for the man-machine-integrated disassembly of antenna amplifiers with existing hardware. On the one hand, the functionality and robustness of the developed concept were confirmed. On the other hand, it was shown that partially autonomous disassembly can also be realized with standard hardware in the context of human-machine interaction, which can significantly increase the flexibility and cost-effectiveness of the automated process.