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.