Knickarmroboter orientieren sich mathematisch nicht an drei Dimensionen (Freiheitsgraden), sondern an sechs. Der kürzeste Weg zwischen zwei Punkten kann für einen Menschen entsprechend ganz anders ausfallen als die entsprechende Bahn eines Roboters. Das erschwert die Programmierung.
Ein typisches Programm für einen Industrieroboter kann prinzipiell in zwei Arten von Bewegungen unterteilt werden:
Aufgabenbezogene Bewegungen: Tätigkeiten wie Schweißen, Kleben, Schleifen, Schrauben und Materialhandling, bei denen die Roboterbahn größtenteils von der Aufgabe bestimmt wird.
Transferbewegungen: Bei diesen Bewegungsabläufen zwischen einem Start und einem Ziel werden in der Regel mehrere Wegpunkte programmiert, um zu prüfen, ob der Roboter die Bahn kollisionsfrei abfahren kann.
Bei beiden Arten von Bewegungen muss der Roboter nicht zwingend einer vorgegebenen Geometrie folgen. Er muss sich lediglich möglichst effizient von einem Zellenbereich in den anderen bewegen können. In der Praxis versuchen Programmierer häufig, eine möglichst kurze Bahn zu definieren, um eine kürzere Bewegungsdauer zu erreichen. Auch müssen die Wegpunkte für den Roboter erreichbar sein. Was trivial klingen mag, scheitert in der Realität häufiger als gedacht an den eingeschränkten Arbeitsbereichen der Robotergelenke oder damit verbundenen kinematischen Singularitäten. Je kleiner die Roboterzellen, desto aufwändiger wird es zudem, Transferbewegungen effizient und zugleich kollisionsfrei zu programmieren. Schließlich ist es aus betriebswirtschaftlicher Sicht nicht effizient, jede einzelne Roboterbewegung in mühsamer „Handarbeit“ zu perfektionieren. Der fachliche und zeitliche Aufwand bringt insbesondere kleinere Unternehmen schnell an ihre Grenzen.
Offline-Roboterprogrammierung leicht gemacht
Doch exakte Roboterbahnen müssen kein „Luxus“ mehr sein. Mit einer Funktion zur Planung kollisionsfreier Bahnen macht die Offline-Planungssoftware ABB RobotStudio das Programmieren von Roboterbewegungen intuitiver und zugänglicher – auch für kleinere Unternehmen mit schmalen Budgets und weniger Inhouse-Expertise in der Roboterprogrammierung.
Um die perfekte Roboterbahn zu planen, müssen Bediener lediglich Start- und Zielposition sowie die Robotergeschwindigkeit auswählen. In wenigen Sekunden berechnet die Software eine besonders kurze und garantiert erreichbare sowie kollisionsfreie Bahn, maßgeschneidert für den Gelenkraum des jeweiligen Roboters. Die kurze Fahrzeit reduziert auch den Energieverbrauch.
Dank der automatischen Zonen-Parametrierung müssen die Roboter nicht an jedem Wegpunkt anhalten, sondern können auch Abkürzungen nehmen, die für einen bestimmten Wegpunkt definiert sind. Der Zonenparameter gibt zum Beispiel die maximale Entfernung vor, den der Werkzeugarbeitspunkt (Tool Center Point, TCP) eines Roboters von einer im Wegpunkt definierten Position abweichen darf. Ein größerer Zonenparameter ermöglicht eine glattere und kürzere Bahn.
Häufig lässt sich nur durch Ausprobieren ein Zonenparameter finden, der groß genug ist, aber nicht zu Kollisionen führt. Dies muss dann mühsam für alle Wegpunkte durchgeführt werden. Nutzer behelfen sich häufig, indem sie für alle Wegpunkte auf einer Bahn eine kleine Zone wählen, was die Performanz und Glätte der Bewegung unnötigerweise einschränkt. Automatic Path Planning in ABB RobotStudio automatisiert diesen Vorgang und maximiert dabei die Anzahl und Größe kollisionsfreier Zonen auf der resultierenden Bahn. Weiter vereinfachen lässt sich die Programmierung durch die Auswahl mehrerer Zielpositionen für eine Startposition. In diesem Fall liefert ein einziger Klick in RobotStudio mehrere kollisionsfreie Bahnen.
Menschlicher Experte vs. Roboter: Wer programmiert besser?
Die automatische Planung spart Programmierzeit und senkt die Einstiegshürden in die roboterbasierte Automatisierung. Aber wie performt eine automatisch generierte Bewegung im Vergleich zu einer Bewegung, die manuell von Robotikexperten programmiert wurde? Dazu hat ABB im Rahmen einer Nutzerstudie1 die Performanz der von Automatic Path Planning generierten Transferbewegungen mit Bewegungen verglichen, die von Roboterprogrammierern an einer realen Roboterstation erstellt wurden.
Gegenstand der Studie war eine robotergestützte Klebezelle, wie sie in der Automobilindustrie zum Einsatz kommt. Das enge Layout der Zelle erschwerte die kollisionsfreie Programmierung. Die Anforderungen an den Roboter umfassten mehrere aufgabenbezogene Bewegungen (Aufnehmen, Absetzen, Reinigen und Kleben) sowie sechs Transferbewegungen. Die gewählte RobotStudio-Station wurde – ohne Originalprogramm – an drei RobotStudio-Programmierer übermittelt, die bis zu 23 Jahre Erfahrung in der Robotersimulation besaßen.
Die Experten bekamen schriftliche Anweisungen, die Transferbewegungen für die jeweiligen Start- und Zielpositionen zu programmieren. Dabei sollten sie mit normalem Optimierungsaufwand eine gute Gesamtbewegungsdauer und einen möglichst geringen Energieverbrauch erreichen. Zudem sollten sie die Zeit erfassen, die sie vom Öffnen der Station in RobotStudio bis zum Abschluss der Programmierung benötigten.
Ergebnisse der Studie
Erwartungsgemäß fielen die automatisch erstellte Bahn und die Expertenbahn sichtbar kürzer als die des Originalprogramms, wobei die Bewegungsdauer beim Originalprogramm 5,95 Sekunden, beim Experten 3,48 Sekunden und bei RobotStudio 2,99 Sekunden betrug. Interessanterweise resultierte die Bahn von RobotStudio trotz des scheinbar kürzeren Wegs der Expertenbahn in einer schnelleren Bewegung und erwies sich zunehmend als glatter.
Auch wenn die Bewegungsdauer häufig die wichtigste Bemessungsgrundlage für die Performanz einer Roboteranwendung ist, gewinnt die Energieeffizienz zunehmend an Bedeutung. Doch bei einer manuellen Programmierung ist eine systematische Optimierung des bewegungsbezogenen Energieverbrauchs – besonders bei einer festen Geschwindigkeit – nicht praktikabel. Hier bieten Bewegungsplanungsalgorithmen wie die von RobotStudio einen Mehrwert. Natürlich könnten auch Experten eine höhere Performanz erzielen, wenn sie den Aufwand für die Optimierung eines Programms erhöhen würden. Mit Automatic Path Planning ließ sich diese Aufgabe in 1,5 Minuten erledigen – verglichen mit 21 Minuten für den schnellsten Experten.
In diesen 1,5 Minuten war die Konvertierung der Bahn in RAPID und die Synchronisierung mit der Steuerung enthalten. Somit könnten Experten bei der Programmierung von Transferbewegungen grundsätzlich auf RobotStudio Automatic Path Planning zurückgreifen und ihre Optimierungsbemühungen auf spezielle Fälle konzentrieren, in denen die automatische Bahnplanung an ihre Grenzen stößt. Nutzer mit weniger Erfahrung werden überhaupt erst in die Lage versetzt, Roboterbewegungsprogramme mit wenig Aufwand zu erstellen. Nicht zuletzt werden die mit dem Betrieb von Roboterzellen verbundenen CO₂-Emissionen reduziert.
