Das Kompetenzcluster rokit hat das Ziel, die mobile Assistenzrobotik und Mensch-Roboter-Interaktion (MRI) im öffentlichen Raum zu fördern und voranzutreiben. Der öffentliche Raum als Einsatzgebiet für diese Roboter birgt, aufgrund seines uneinheitlichen Erscheinungsbildes und Dynamik, eine Reihe spezifischer Herausforderungen, die dem kommerziellen Durchbruch von Assistenzrobotern entgegenstehen. Das Kompetenzcluster rokit beleuchtet verschiedene Themen und Fragestellungen und erarbeitet vielseitige Unterstützungsleistungen für Hersteller und Anwender, die Einsatzmöglichkeiten ihrer Roboter aufzeigen und deren Integration in konkrete Anwendungen erleichtern.

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Die Zielsetzung des STIMULATE-Verbundprojekts besteht in einer nachhaltigen Stärkung des Gesundheitssystems durch die Entwicklung von minimal-invasiven Operationsverfahren. Die Therapien sollen zu einer vollständigen Genesung bei gleichzeitig sehr kurzen Rekonvaleszenzzeiten führen. Darüber hinaus soll die Wissenschaft und insbesondere auch die Wirtschaft stimuliert werden.
Innerhalb der aus dem BMBF-Programm "Forschungscampus - öffentlich-private Partnerschaft für Innovationen" geförderten Forschungsaktivitäten liegt der Schwerpunkt auf Krebserkrankungen. Bei den betrachteten Therapieansätzen werden Nadeln unter Röntgen-, CT- oder MRT-Kontrolle in den Erkrankungsherd vorgeschoben, wo sie den Tumor durch Energieapplikation zerstören.

Das Fraunhofer IFF erforscht innerhalb des Teilvorhabens in enger Kooperation mit dem Verbundpartner Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg ein in den CT-Interventionsablauf integriertes robotergeführtes Ultraschallsystem (US-System). Das zu erforschende US-System hat zum Ziel den Bildausschnitt automatisiert der Instrumentenspitze im Patienten nachzuführen. Dieses Konzept bietet das Potenzial einer erheblichen Reduktion der applizierten Röntgendosis auf PatientInnen und ÄrztInnen durch eine streckenweise Substitution der CT-Fluoroskopie durch den US im Prozess des Nadelvorschubs zum Tumor. Im Rahmen eines Arbeitspaketes werden die Methoden zur automatischen Nachführung der US-Sonde unter Berücksichtigung zusätzlich auftretender Patientenbewegungen erforscht, in einen Demonstrator integriert und technisch sowie nutzerseitig evaluiert.

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Ziel innerhalb dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen, hochflexiblen Greifersystems mit sensorischen Fähigkeiten. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass unterschiedlichste Griffarten wie der Pinzetten- und Radialgriff umgesetzt werden können. Damit kombiniert es die Funktionen von konventionellen Zwei- und Dreibacken-Greifern. Weiteres Funktionsmerkmal ist die so genannte "In-Hand-Manipulation". Bei dieser wird die Orientierung von Bauteilen im Greifer ohne zwischenzeitliches Ablegen verändert. Diese Art der Manipulation ist mit herkömmlichen Greifern nicht möglich und geht mit einer signifikanten Reduktion der Zykluszeiten von zahlreichen Prozessschritten einher.
Ein weiteres besonderes Augenmerk der Entwicklung liegt auf dem "Fingerspitzengefühl" des neuen Greifersystems. Das Fraunhofer IFF entwickelt seit 2016 eine robuste, textilähnliche Taktilsensorik mit hoher Orts- und Kraftauflösung, die in Greifer integriert werden kann. Dieses taktile Sensorsystem -kombiniert mit den kinematischen Eigenschaften- wird es dem Greifer erlauben die Form von Objekten zu ertasten, Teile feinfühlig zu greifen und auch das Verrutschen von Bauteilen (Stick-Slip-Effekt) zuverlässig zu erkennen.

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AR-Systeme, die die Realität erweitern, können eine wichtige Komponente für industrielle Assistenzsysteme der Zukunft sein. Projektive Interaktionssysteme zur Bedienung von Anlagen, Maschinen und Roboter sind allerdings bisher aufwendig aufzubauen und einzurichten. Visuelles Feedback durch das Projektionssystem kann jedoch eine einfache Bedienung ermöglichen. Ziel des Projektes ist daher, die Entwicklung neuer Hard- und Software, um projektionsbasierte AR-Systeme einfacher aufzubauen und in die Arbeitsprozesse zu integrieren.

KI-basierte Auswertung zur Erkennung der Anwesenheit, Gesten und Reaktionen der Arbeitsperson, um Handlungen vorausschauend festzustellen

Optimierte Projektion durch die Sichtfeldanalyse der Arbeitsperson

Hohe Qualität durch die situative und lagekorrekte Einblendung von Informationen

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Innerhalb des Gemeinschaftsvorhabens sollen Technologien und Verfahren zum Bearbeiten großer Werkstücke mit variablen Geometrien erforscht werden. Ziel ist es einen intuitiven Assistenzroboter zu entwickeln, der durch einfachste Handhabung und Programmierung vielfältigste Tätigkeiten an großen Bauteilen ausführen kann. Dieses System soll in einem ersten Anwendungsszenario dazu dienen, bisher manuell durchgeführte Schweißarbeiten an Großbauteilen unter den Aspekten der Ergonomie und Wirtschaftlichkeit zu verbessern.
Im Rahmen des geplanten Vorhabens steht die Erforschung und Validierung neuer Technologien zur Teilautomatisierung des Schweißens kundenspezifischer Großbauteile. Der zu entwickelnde intuitive Assistenzroboter ist in der Lage, den Werker beim Schweißen der Bauteile zu unterstützen. Kernpunkt bildet die Erforschung von Algorithmen und Routinen, die ein selbstlernendes bzw. selbstoptimierendes System für die Überwachung des mehrlagigen Metall-Schutzgasschweißens von großdimensionierten Stahlbaugruppen ermöglichen.
Die zu entwickelnde Technologie bietet durch die Integration schweißtechnischer Sensorik zusätzlich das Potenzial, systematisch den Fertigungsprozess zu überwachen und zu dokumentieren und damit zusätzlichen Alleinstellungsmerkmale für zukünftige Wettbewerbssituationen zu generieren.

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Innerhalb des Gemeinschaftsvorhabens werden Produkte für neue automatisierte Anwendungen im Baubereich zum automatisierten Abdichten von Fugen an Betonbauteilen (BT innovation) entwickelt. Das Abdichtungsmaterial muss dabei für die automatisierte Verarbeitung bezüglich Verarbeitungseigenschaften und Maschinentauglichkeit weiterentwickelt werden. Dabei muss das Abdichtungsmaterial ausreichend druckfest und elastisch sein, so dass ein Modul sicher und stabil zur Baustelle transportiert werden kann.
Neben der Entwicklung von automatisierungsfähigen Baudichtstoffen beinhaltet dies die Konzeptionierung und Weiterentwicklung von Aplikationsanlagen für Dichtstoffe mit einer entsprechenden Sensorik zur Dosierung als Voraussetzung für praktische Verarbeitungstests der neuen Bauprodukte (Fraunhofer IFF). Dazu sollen die Grundlagen für den automatisierten Auftrag der Dichtstoffe in der Modul- bzw. Fertigteil-Vorfertigung ermittelt werden, damit Bauteilfugen und Elemente in den Wänden und Bauteilen automatisches abgedichtet / eingedämmt werden können. Bisher manuell durchgeführte Abdichtarbeiten an Betonteilen und Modulen sollen als automatisierte Vorfertigung im Werk unter witterungsunabhängigen Bedingungen mit konstanter Qualität, hoher Präzision, Wirtschaftlichkeit und Ressourceneffizienz wettbewerbsfähig produziert werden.

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Herkömmliche Einzelarbeitsplätze in der industriellen Fertigung von heute sind mehrheitlich taktgesteuert und setzen voraus, dass der Mensch die ihm zugeschriebene Aufgabe innerhalb der Taktzeit erfüllt. Die immer wiederkehrenden Abläufe sind starr, im Voraus geplant und lassen kaum Spielraum für Veränderungen. Der Mensch ist dadurch einer immer gleichen Belastung ausgesetzt, die auf seine zeitlich veränderliche, mentale und körperliche Leistungsfähigkeit nur unzureichend angepasst wird.
Um diesen Einschränkungen zukünftig zu begegnen werden in der Nachwuchsforschergruppe kognitive Arbeitssysteme mit autonomen Funktionen, die manuelle Handhabungs- und Fertigungsvorgänge auf die individuelle Leistungsfähigkeit des Menschen automatisch anpasst und somit in der Lage ist, den werktätigen Menschen bedarfsgerecht zu unterstützen und zu entlasten, entwickelt. Im Fokus steht die operative Ebene, auf der Menschen, autonome Roboter und eine intelligente Materiallogistik zukünftig eng zusammenarbeiten. Es entsteht ein rückgekoppelter Prozessregelkreis, auf operativer und zeitlicher Ebene, welcher innovative Verfahren wie z.B. künstliche Intelligenz zur Selbstorganisation nutzt und alle die Funktionselemente wie z.B. Materialfluss und Automation auf die jeweilige Arbeitssituation präzise anpasst.
Den Forschungsschwerpunkt in der Nachwuchsforschergruppe KaSys bilden die Teilprojekte Zustandsinterpreter, Logistikplaner, digitaler Mensch und Autonomieplaner ab.

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Zielsetzung des Projekts liegt darin, die zukünftige Flugzeugproduktion deutlich hinsichtlich Wandlungsfähigkeit und Flexibilität der Automatisierung zu befähigen. Dazu müssen in der Fertigung anwendbare, einsatzreife, mobile Plattformen mit Robotern entwickelt werden, die in die übergeordnete Auftragsplanung eingebunden sind. Die Entwicklung umfasst modulare, mobile, roboterbasierte Produktionssysteme unter Berücksichtigung luftfahrtspezifischer Randbedingungen (wie schnelle Referenzierung und hohe Genauigkeit) und die notwendigen IT-Lösungen zur flexiblen Einbindung dieser Plattformen, wie die Konzeption und Entwicklung einer IT-Robotikplattform, die die Grundfähigkeiten der mobilen, intelligenten Plattform wie Navigation, Umgebungserfassung und Objekterkennung, Bahnplanung, Interaktion, Sicherheit etc. bereitstellt sowie die Kommunikation der Module untereinander und die autonome Programmgenerierung mittels semantischer Aufgabendefinition und darauf aufbauen-der autonomer Aufgabenplanung auf Basis der 3D-CAD-Daten von Bauteilen und Werkzeugen.

Das Projekt leistet einen Beitrag zur leistungsfähigen und effizienten Luftfahrt, indem aktuelle und zukünftige komplexe Fertigungsprozesse intelligent automatisiert werden. Bisherige Automatisierungssysteme sind aufgrund ihrer Spezialisierung häufig zu teuer und zu unflexibel, um sie in der Flugzeugmontage gewinnbringend einsetzen zu können. Durch die Entwicklung von modularen Systemen und dem Fokus auf Interoperabilität, soll sichergestellt werden, dass die Automation schnell an neue Aufgabenstellungen und Rahmenbedingungen adaptierbar ist.

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Das Verbundvorhaben "AGREED" befasste sich mit anwendungsorientierter Technologie für die
automatisierte Montage von primären Rumpfstrukturen. Gemeinsames Ziel war die Entwicklung von automatisierten, digital gestützten Produktionssystemen für heute weitgehend manuelle Montagen von Flugzeugschalen.
Die Realisierung von MRK Anlagen insbesondere mit dem branchenspezifisch hohen Komplexitäts-
und Flexibilitätsgrads ist dabei ein Problem, welches die konsequente Berücksichtigung des
Menschen erfordert. Dies betrifft sowohl Aufteilung und Verzahnung von Arbeiten zwischen
Mensch und Maschine sowie die Gewährleistung von Personensicherheit ohne trennende Schutzeinrichtungen. Das Fraunhofer IFF adressierte gezielt diesen Themenkomplex und ermöglichte einerseits eine deutlich differenziertere Sicherheitsbetrachtung auf Basis digitaler Modelle und Werkzeuge und entwickelte andererseits Technologien zur optischen Arbeitsraumüberwachung.

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Das von der Investitionsbank Sachsen-Anhalt geförderte Forschungsprojekt INTAKT (ZWB 1804/00011) untersucht die grundlegenden technologischen, methodischen und softwareseitigen Anforderungen an einen orts- und kraftauslösenden taktilen Fußboden zur Personenerkennung im Raum, zur Erkennung von Bewegungsrichtungen und zur Bestimmung von Bewegungsintentionen. Nach der Entwicklung eines funktionsfähigen Demonstrators werden Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens und der Bildverarbeitung untersucht, um spezifische Druckmuster zuverlässig zuordnen zu können. Zielanwendungen bestehen z.B. im Smart Living, Entertainmentbereich sowie der Sportmedizin und dem Bereich der Rehabilitation.

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Im Verbundvorhaben fast robotics werden neue Technologien entwickelt, um die bei Robotern vorherrschende drahtgebundene Kommunikation durch verteilte Steuerung und neuartige Funksysteme zu ergänzen bzw. streckenweise zu ersetzen. Der Einsatz von zuverlässiger Funktechnologie ermöglicht die Verteilung und somit eine Trennung bisher eng gekoppelter Steuerungsfunktionen wie Bahnplanung, Dynamik-/Kinematikberechnungen und Regelung in der Robotersteuerung. Die Anbindung externer Sensorik wird durch Funk massiv vereinfacht und zum Teil erst ermöglicht. Dies gilt auch für den Austausch von Daten, Umgebungs- und Prozesswissen zwischen verschiedenen Robotern über die Cloud. Die Verfügbarkeit neuer Funkkommunikationslösungen wie 5G mit hoher Zuverlässigkeit und Bandbreite sowie geringer Latenz bei der Datenübertragung ermöglicht somit neue Steuerungsmöglichkeiten nicht nur von stationären Robotersystemen, sondern sind auch eine Schlüsseltechnologie für den Zukunftsmarkt der mobilen, intelligenten Assistenzrobotik.

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Im Forschungscampus STIMULATE befasst sich die Forschungsgruppe Robotik unter der Leitung des Fraunhofer IFF mit applikationsübergreifenden Fragestellungen zum Einsatz von Robotern bzw. Robotik-Technologien für Anwendungen in der Medizin. Zu den Anwendungsszenarien zählt insbesondere die Elektrodenplatzierung für die Radiofrequenzablationen bei Wirbelsäulentumoren. Der Schwerpunkt des Projekts liegt in der Entwicklung eines Assistenzrobotersystems zur Verbesserung der Genauigkeit, der Ergonomie und der Strahlenhygiene während der Intervention. Um diese Ziele zu realisieren, werden entsprechend der klinischen Anforderungen neue Methoden und Technologien im Rahmen des Projekts entwickelt. Der Forschungsschwerpunkt am Fraunhofer IFF liegt in der Entwicklung von intelligenten Grundfertigkeiten für den Assistenzroboter und deren Einbettung in eine übergeordnete Softwarearchitektur. Des Weiteren werden Konzepte zur intuitiven Mensch-Roboter-Interaktion und sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration erarbeitet und umgesetzt. Im Gegensatz zu bestehenden stationären und telemanipulierten Assistenzsystemen wird dabei auf eine intuitive Bedienung des Roboters mittels Handführens gesetzt. Dies ermöglicht es dem Chirurgen, auf Basis einer neu entwickelten Echtzeit-Bewegungsplanung, Instrumente mit dem Roboter zielgenau und sicher zu platzieren. Des Weiteren wird der verwendete Leichtbauroboter mit einem optischen Trackingsystem ausgestattet, der es ermöglicht die Position und Bewegung des Patienten zu verfolgen. Dadurch kann zum einen die Patientenbewegung wie Atmung kompensiert und zum anderen die notwendige Bildgebung auf ein Minimum reduziert werden. Während des gesamten Prozesses wird die Bewegung des Roboters durch eine neuartige Sicherheitssoftware überwacht, die aktuell gemessene Sensordaten mit Erwartungswerten abgleicht, welche aus der medizinischen Bildgebung generiert werden.
Ein zweites Anwendungsszenario befasst sich mit der Erforschung eines Brain-Machine-Interfaces zur Steuerung eines Assistenzroboters zur Unterstützung von körperlich eingeschränkte Personen z.B. nach Schlaganfall. Im Projekt wird dazu ein nicht invasives Elektrodenarray verwendet, welches auf der Kopfhaut angebracht wird und eine komplikationsfreie und preiswerte Alternative zu invasiven Elektroden liefert. Nutzereingaben werden durch das Dekodieren von visuellen Stimuli unterschiedlicher Frequenzen in den gemessenen Hirnströmen ermöglicht. Mit Hilfe von Projektionstechnik werden diese Stimuli dynamisch erzeugt und ermöglichen eine räumliche Zuordnung zu physischen Objekten, wodurch eine intuitive und kontextsensitive Interaktion zwischen Mensch und Roboter geschaffen wird. Um die geringe Informationsdichte der nicht invasiven Schnittstelle zu kompensieren, wurde der Assistenzroboter mit entsprechenden Autonomiefunktionen ausgestattet, um den Patienten bestmöglich im Alltag zu unterstützen.
Im Rahmen des Projekts wird in enger Kooperation zwischen dem Fraunhofer IFF, der OvGU und dem LIN die relevanten Anwendungsszenarien entwickelt und für das Versuchsstadium integriert.

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Gesamtprojektlaufzeit: 30.11.2002 - 31.08.2016

Mit dem Umbau des Abwasserableitungssystem durch die Emschergenossenschaft entstand das größte Wasserbauvorhaben in Europa: Der emscher:kanal mit einer Gesamtlänge von 51 km und einer Tiefenlagen von bis zu 40 m unter Gelände sowie einem Kanaldurchmesser zwischen DN 1400 und DN 2800. Permanente Füllgrade von 25 bis 90 Prozent schließt einer Trockenlegung und somit eine Inspektion mittels Begehung aus.

Zur Inspektion und Zustandserfassung des emscher:kanal gemäß Selbstüberwachungsverordnung Kanal NRW sowie zur Erfüllung der Betreiberverpflichtungen sind folgende Schadensbilder zuverlässig zu erkennen:

• Korrosion
• Mechanischer Verschleiß
• Abflusshindernisse
• Lageabweichung
• Risse
• Undichtigkeiten

Zur Erfüllung der Anforderungen entwickelt das Fraunhofer-Institut IFF seit 2002 als Generalauftragnehmer im Auftrag der Emschergenossenschaft automatisierte Inspektions- und Reinigungssysteme, die unter den gegebenen Bedingungen alle Schadensbilder zuverlässig erfassen. Bei der Entwicklung der Systeme zur Inspektion und Reinigung standen folgende Teilsysteme und deren Zusammenführung im Vordergrund:

• Trägersysteme zur Bewegung und Positionierung entlang des Kanals
• Sensor- und Messsysteme zur Inspektion des Rohrzustandes über und unter dem Wasserspiegel sowie zur Erkennung von Ablagerungen
• Beseitigung kleinerer Ablagerungen, Kanalreinigungstechnik
• Kinematiksysteme zur Positionierung der Sensoren und Reinigungswerkzeuge an bzw. entlang der Kanalwand
• Medienversorgung
• Steuerungssystem, Navigation, Bedienung
• Datenverarbeitung
• Infrastruktur: Fahrzeuge, Bedienstand, Hubkorb

Zudem sind Bergungssicherheit der Systeme aus dem Kanal und Explosionsschutz zu berücksichtigen. Um die Schadensbilder darzustellen und zu vermessen, müssen die Inspektionssysteme in der Lage sein, zu jedem Zeitpunkt die exakte Position und Orientierung im Kanal zu ermitteln. Hierzu wurde ein Multisensorsystem auf Basis optischer Sensoren, Neigungssensoren und Trägheitssensoren entwickelt.

Im Ergebnis der Entwicklung erfolgt die Inspektion und Reinigung des emscher:kanal mit einer 3-stufigen Inspektionsstrategie:

• Schadenerkennungssystem zur Vorinspektion

• Reinigungssystem zur Beseitigung von Ablagerungen und Reinigung der Rohrwände
• Schadenvermessungssystem zur detaillierten Zustandserfassung

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Roboter erlauben eine zielgenaue Steuerung und könnten folglich die Platzierung der Instrumente während minimalinvasiver Operationen an die zu behandelnde Stelle übernehmen. Des Weiteren bieten sie die Option, Eingriffe auch bei einem sehr begrenzten Platzangebot durchzuführen. Bei der Konzeption solcher MR-kompatibler Roboter muss vor allem auf die Ansteuerung des Antriebes geachtet werden. Es wird daher zunächst ein grundsätzliches Konzept für einen Manipulator für minimalinvasive Nadelinterventionen im geschlossenen MRT mit einem Röhrendurchmesser von 700mm erstellt. Hauptaugenmerk wird dabei auf die geforderte geringe Beeinflussung der Qualität der MR-Bildgebung sowie hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit gelegt.

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Dieses Projekt wird vom BMBF im Rahmen des Förderprogramms "BIONA - Bionische Innovationen für nachhaltige Produkte und Technologien" gefördert und vom Projektträger im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) betreut.

Zielsetzung des Projektes BROMMI Bionische Rüsselkinematik für sichere Roboteranwendungen in der Mensch-Maschine-Interaktion ist die Entwicklung, der Aufbau und die Erprobung eines flexiblen Roboterarmes, der aufgrund seiner völlig neuen, auf bionischen Prinzipien beruhenden Konzeption, kein Gefahrenpotential für den Menschen bietet und ein hohes Maß an Eigensicherheit aufweist. Nach dem bionischen Prinzip eines muskulären Hydrostaten wird in dem Projekt eine flexible Roboterkinematik in Anlehnung an die Funktionsweise eines Elefantenrüssels entwickelt.

Projektpartner:

• Technische Universität Berlin
• BGIA - Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung
• [project:syntropy] GmbH
• Fest AG & Co. KG

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Dieses Projekt wird vom BMBF im Rahmen des Förderprogramms "IKT 2020 - Forschung für Innovation" mit dem Schwerpunkt "Virtuelle und Erweiterte Realität" gefördert.

Teilprojekt: Neuartiges, intuitiv bedienbares Eingabegerät auf Basis einer taktilen Haut für AR- und VR- Umgebungen sowie an realen Maschinen wie Robotern

Ziel des Teilprojektes ist die Entwicklung eines intuitiv bedienbaren Eingabesystems auf Basis kraftgekoppelter Sensorik, welches zur Steuerung innerhalb von AR- und VR Umgebungen sowie an realen Maschinen wie Robotern eingesetzt werden kann. Sowohl in AR-/VR- Welten als auch bei der Steuerung, Programmierung und Fernsteuerung von Maschinen bzw. dem Teachen von Robotern sind neben der Koordinatenvorgabe (Translation und Rotation) oftmals auch kraftgekoppelte Eingabegeräte notwendig. Im Rahmen des Projektes wird eine am Fraunhofer IFF entwickelte taktile Haut gezielt für den Einsatz als kraftgekoppeltes Eingabegerät weiter entwickelt. Schwerpunkt liegt zum einen auf einer maximalen Ortsauflösung auch bei 3D- Objekten (auch Freiformen) sowie einer dauerhaften, zuverlässigen Kraftmessung. Hierzu stehen neben verschiedenen Ausführungen der taktilen Haut auch intelligente Auswertealgorithmen im Fokus der Arbeiten. Die taktile Haut soll sowohl im AR/VR-Bereich wie auch zur Roboterprogrammierung eingesetzt werden. Als intuitives Eingabe- und Programmiersystem ermöglicht es z.B. Roboter auf unkomplizierte und schnelle Weise in realer Umgebung wie auch in AR/VR- Umgebungen zu programmieren oder zu teachen.  

Teilprojekt: Präzise Lokalisierung autonomer Roboter in großen Umgebungen wie Fabrikhallen per visueller Odometrie

Die kontinuierliche Lokalisierung mobiler Einheiten wie z.B. von fahrerlosen Transportsystemen oder mobilen Assistenzrobotern ist bereits heute eine Basistechnologie in Automatisierung und Logistik. Gleichzeitig bedeuten bestehende Systeme zur Lokalisierung eine substanzielle Investition in Infrastruktur und/oder mobile Sensorik. Visuelle Selbstlokalisierung auf Basis preiswerter digitaler Kameratechnik bietet im Gegensatz dazu ein deutliches Potential zur Kostenreduktion bei solchen Systemen und könnte helfen neue Anwender und Anwendungsfelder insbesondere bei kleinen und mittleren Unternehmen zu erschließen. Auf Basis dieser Überlegungen ist der Projektinhalt hier die Entwicklung eines visuellen Positionsverfolgungssystems speziell für Umgebungen wie Werk- oder Lagerhallen:

• Als Teilkomponente zur visuellen Selbstlokalisierung mobiler autonomer Systeme

• Als eigenständiges System zur Erfassung von Wegen und Wegzeiten anderer mobiler Einheiten

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Dieses Projekt der Innovationsallianz Virtuelle Techniken wird vom BMBF gefördert.

Vorhabenziel: Das AVILUS-Konsortium aus führenden deutschen Unternehmen der Großindustrie sowie kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) und Forschungseinrichtungen hat sich zum Ziel gesetzt, neue Technologien imKontext virtueller und erweiterter Realität zu entwickeln und zuerproben.
Im Teilprojekt "Kundenzentrierte Produktpräsentation/-konfiguration" steht die Übertragung der Technologien zur bedienerfreundlichen Produktdarstellung und -interaktion auf definierte industrielle Anwendungen im Mittelpunkt. Am Beispiel einer aufzubauenden Roboterzelle für Logistikaufgaben werden die Möglichkeiten der augmentierten Realität im Hinblick auf Einsatz für Vertrieb, Schulung und Training überprüft.
Mit dem Anwendungsdemonstrator Logistikzelle wird die Grundlage für eine schnelle Übertragung und Anwendbarkeit der Projektergebnisse in zahlreiche Produktionsbereiche geschaffen.

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Das Verbundvorhaben ViERforES wird im Rahmen des Programms IKT2020 des BMBF mit dem Schwerpunkt Virtuelle und Erweiterte Realität gefördert und vom Projektträger Softwaresysteme und Wissenstechnologien im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Berlin betreut.

Flexible Produktion durch sichere Mensch-Roboter-Interaktion

Die Verwendung von neuartigen intelligenten und teilweise mobilen Robotern in unterschiedlichen Ausprägungen ist eine Antwort auf die Frage nach zunehmend flexiblen Produktionsumgebungen. Gleichzeit eröffnen diese Technologien die Perspektive zur Erschließung bisher ungenutzten Potenzials zur Automatisierung von bisher vielfach ausschließlich manuell ausführbaren Tätigkeiten in kleinen und mittleren Unternehmen. Eine Schlüsselkomponente dabei ist die einfache und sichere Interaktion und Koexistenz mit Menschen im selben Arbeitsraum zum Einrichten oder auch während des Betriebs.
Sicherstellen, dass Personen durch die Aktionen der Roboter nicht gefährdet oder verletzt werden ist der Schwerpunkt der aktuellen Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten im Geschäftsfeld Robotersysteme des Fraunhofer IFF. Es werden hier Verfahren und Technologie entwickelt, die Objekte wie beispielsweise Personen im Arbeitsraum des Roboters zuverlässig erfassen und den Roboter entsprechend reagieren lassen. Hierfür ist die Etablierung effektiver dynamischer Schutzräume in Abhängigkeit von der Position und dem konkreten Arbeitsschritt des Roboters notwendig.

Arbeitsraumüberwachung mit ortsfesten und mobilen Sensoren für die Mensch-Roboter-Koexistenz und Kooperation:

• Etablierung dynamischer Schutzzonen um mobile Assistenzsysteme
• …mit Hilfe im Raum fest installierter und auf dem System befindlicher, mobiler Sensorik
• um den Menschen je nach Situation so weit wie möglich an den Roboter heranzulassen

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Das Verbundvorhaben LiSA wird im Rahmen des vom BMBF ausgeschriebenen Fördervorhabens "Leitinnovation Servicerobotik" gefördert. Der Projektbeginn war am 01.04.2006, die Projektlaufzeit beträgt 3 Jahre. Zielsetzung des Projektes ist die Entwicklung, der Aufbau und die Erprobung eines mobilen, alltagstauglichen Assistenzroboters, der in Laboren von Life-Science-Unternehmen mit Labormitarbeitern interagiert und Routineaufgaben wie Transport von Multischalen selbständig übernimmt. Darüber hinaus stellt der Roboter LiSA auch die Basis dar für weitere Anwendungen in der Produktion und im Haushaltsbereich. Für die Akzeptanz eines Assistenzroboters, der sich die Arbeitsumgebung mit menschlichem Personal teilt und mit diesem interagiert, sind die Flexibilität, die Sicherheit und die intuitive Bedienbarkeit entscheidend. Diese Aspekte stehen daher neben der Entwicklung der mobilen Plattform und der Navigation in dynamischer Umgebung im Vordergrund des Projektes. Das IFF zeichnet sich neben der Koordination des Verbundvorhabens LiSA verantwortlich für die Entwicklung des Manipulators, der in Interaktion mit Menschen zum Einsatz kommt und alle Sicherheitsanforderungen erfüllt, der sensorgeführten Bewegung des Manipulators und der Erkennung der Aufnahme- und Ablagestationen verantwortlich. Darüber hinaus ist das IFF als Systemintegrator in alle nachfolgend aufgeführten Entwicklungsschwerpunkte einbezogen.

Zentrale Entwicklungsziele hinsichtlich des Aufbaus des Assistenzsystems zum Einsatz unter Alltagsbedingungen sind folgende:

• Entwicklung und Aufbau einer mobilen Plattform
• Navigation in dynamischer Umgebung
• Entwicklung eines Manipulator und eines Sicherheitskonzeptes, das die Interaktion mit Menschen unter Berücksichtigung der Erfüllung aller Sicherheitsanforderungen ermöglicht
• Bestimmung der Aufnahme- und Ablagepositionen und der handzuhabenden Objekte mittels Bildverarbeitung
• sensorgeführte Bewegung des Manipulators
• multimodale Interaktion Mensch ↔ Assistenzsystem (grafisch, Sprache)

Weitere Informationen zum Verbundvorhaben LiSA finden Sie unter www.lisa-roboter.de

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Kurzbeschreibung: Ziel des Projektes RIWEA ist die Entwicklung neuartiger Technologien zur vollständigen Zustandserfassung der Rotorblätter von Windenergieanlagen. Durch den Einsatz von modernen Prüfverfahren wie Thermographie, Ultraschall und hochauflösender Kameras in Verbindung mit innovativen Robotern wird eine zuverlässige, objektive und ganzheitliche Analyse des Blattzustandes ermöglicht, die zukünftig auch für die Darstellung von Schadensentwicklungen und Schadensprognosen herangezogen werden können. Innerhalb des Projektes entstehen unterschiedliche Inspektionssysteme, die eine Prüfung der Rotorblätter von innen und von außen ermöglichen. Die geplanten Inspektionssysteme müssen in der Lage sein, ein Rotorblatt vollständig und reproduzierbar unter wirtschaftlichen und praktikablen Bedingungen zu inspizieren. Dabei werden die tiefer liegenden Strukturen wie Holm-, Nase- bzw. Endkantenverklebungen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren wie aktiver Infrarot-Thermographie bzw. Ultraschall sowie die Oberfläche visuell mit hochauflösenden Kameras überprüft. Zudem müssen Trägersysteme entwickelt werden, um die Prüfsensorik entlang der Rotorblattfläche definiert zu positionieren und zu führen. Weiterer Projektschwerpunkt ist die Energieversorgung und die Sicherheitstechnik der Inspektionssysteme für den Einsatz an Rotorblättern. Ergebnis der Untersuchung ist ein komplettes Zustandsprotokoll des Rotorblattes. In diesem werden die detektierten Schäden mit Angabe der jeweiligen Position in einem der Blattkontur angepassten Koordinatensystem sowie deren Ausdehnung exakt wiedergegeben. Die im Rahmen des Projektes entwickelten Roboter- und Sensorsysteme können auch für weitere Einsatzfelder verwertet werden. Die Robotertechnik kann zur Bewegung an schwer zugänglichen und gekrümmten Objekten wie z.B. an Schiffen, Kühltürmen oder Tanks eingesetzt werden, die Sensorsysteme beispielsweise zur Qualitätsüberprüfung der Rotorblätter direkt nach der Herstellung und zur Untersuchung von Faserverbundbauteilen der Luft- und Raumfahrttechnik.

Kooperationspartner:

• Fraunhofer-Institut für Holzforschung (FhG-WKI)
• Universität Stuttgart, Institut für Werkstoffe im Bauwesen (IWB)
• AT - Automation Technology GmbH
• Faserverbundwerkstoff - Sachverständigenbüro
• H&B Omega Europa GmbH
• TTI GmbH - TGU Smartmote

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Der Hauptbahnhof Berlin hat eine aus Glas bestehende Dachfläche von 28.000 m², die durch das ferngesteuerte Reinigungsgerät Filius (DB-intern "Toni" genannt) gereinigt wird. Das Gerät wird dazu gebäudeseitig mit enthärtetem Wasser versorgt und von einem Bediener per Fernbedienung gesteuert. Eine große Walzenbürste ermöglicht die effiziente und schonende Reinigung bei über 150m²/h Reinigungsleistung. Durch die in das Gerät integrierten Seilwinden legt es die zur Sicherung verwendeten Seile auf dem Glas ab und kann sich bis in die Senkrechte abseilen. Hindernisse wie z.B. Schneefangrohre sind durch die großen Ballonreifen einfach zu überwinden.

Systemeigenschaften:

• Ferngesteuertes Reinigungsgerät
• Einfache Manövrierbarkeit in der Waagerechten
• Über 150m²/h Reinigungsleistung
• Gerätesicherung durch eingebaute Seilwinden
• Versorgung mit Strom und Wasser über Dachbefahranlagen

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Der künstliche Experimentator unterstützt die Automatisierung wissenschaftlicher Labore. Der Roboter führt zeit- und personalintensive Experimente durch, während ein Wissenschaftler die Ergebnisse überwacht. Einsatzmöglichkeiten ergeben sich bei der Suche nach den richtigen Oberflächeneigenschaften chemischer Mischungen. Anwendungsbeispiel: In Krisengebieten ist der Nachweis hygienisch einwandfreien Trinkwassers lebenswichtig. Der einfache Nachweis z.B. von Durchfallauslösern wie der Amoebenruhr per Mikroskop ist jedoch technisch fast unmöglich. Ziel: Falls Wasser mit Amoeben verseucht ist, sollen diese auf einer che-misch veränderten Objektträgeroberfläche haften und durch Anfärbung nachweisen werden. Mit diesen Objektträgern lassen sich große Mengen an Proben schnell und einfach untersuchen und die Qualität des Trinkwassers überprüfen. Zur automatisierten Suche der haftenden Substanz: wurde ein Industrieroboter mit einem Spezialgreifer ausgestattet, der Glas-Objektträger, Barcodeerkennung und Pipettiereinheit integriert, sowie eine 100fach-Objektträger-Halterung greifen kann. Er pipettiert die Chemikalien, positioniert die Objektträger in den Mischungen und trocknet diese unter Sauerstoffausschluss. Die Versuche, ob die Amoeben auf dem Objektträger haften bleiben, werden per Hand durchgeführt. Die Objektträger bleiben durch den Barcode identifizierbar. Die automatische Bildverarbeitung erzeugt Ergebnisdaten, die ein Computerprogramm bewertet und damit die neue Versuchserie plant und durchführt, solange bis eine Objektträgerbeschichtung gefunden wurde, deren Eigenschaften zum Nachweis von Amoeben geeignet ist. Dieses Projekt wurde im Rahmen des BMBF-Forschungsprogramms ProInno (FKZ KF 231KMD3) gefördert und mit der Anagnostec GmbH und der Alpha-contec GmbH verwirklicht.

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Ziel ist die automatische Probenvorbereitung zur mikrobiellen Artbestimmung durch Massenspektrometrie. Die Arterkennung beruht auf dem Nachweis von Schlüsselproteinen. Statt einer speziellen biochemischen Reaktion werden die Massen der auftretenden Proteine mit einer Datenbank abgeglichen. Der Roboter reduziert diese Vorbereitungszeit von 100 Proben auf unter eine Stunde. Dabei etabliert er zusätzlich in einer Mikrotiterplatte eine Reinzucht. Neben der einfachen Proben-Rückverfolgung über eine Datenbank ist somit auch der Zugriff auf den Mikroorganismus für Folgeuntersuchungen möglich.

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Fassadenreinigungsroboter für die gewölbte Glashalle der Leipziger Messe
Das weltweit erste vollautomatische Reinigungssystem für gewölbte Glashallen arbeitet seit 1997 auf dem Glasdach der Leipziger Messe. Die gewölbte Glashalle ist 243m lang, 80m breit und am Scheitelpunkt 28m hoch. 25.000m² groß ist die Glasfläche, die regelmäßig gereinigt werden muß, damit die Transparenz und der lichtdurchflutete Charakter erhalten bleiben. Die gewölbte Glashalle besitzt eine außenliegende Stahlkonstruktion, die Glasscheiben sind im Abstand von 0,35m unter der Stahlkonstruktion aufgehängt.
Systemeigenschaften des Fassadenreinigungsroboters:

• gleichmässige und hohe Reinigungqualität
• vollautomatischer Betrieb aller Systeme (Roboter, Dachwagen etc.)
• Bedienung (Start, Festlegung der zu reinigenden Bereiche) erfolgt durch Hallenwart

Systemaufbau: Auf dem Scheitelpunkt des Daches verfährt ein Wagen, welcher die Roboter positioniert und mit zwei seitlichen Aufzügen die beiden Roboter auf dem Glas absetzt bzw. nach durchgeführter Reinigung wieder aufnimmt. Die Reinigung selbst erfolgt während der Abwärtsbewegung der Roboter. Sie werden jeweils über zwei Kevlar-Seile navigiert, über die sie mit dem Dachwagen verbunden sind. Die Roboter bewegen sich auf speziellen Rädern mit geringer Reibung über das Glas, um selbst kleinste Kratzer zu vermeiden. Die Glasscheiben werden mit Walzenbürsten sowie ausfahrbaren und schwenkbaren Tellerbürsten gereinigt. So können auch die hinter den Scheibenhalterungen liegenden Bereiche erreicht werden. Gereinigt wird ausschließlich mit warmen, klaren Wasser - ohne Reinigungsmittel. Die Halle wird mindestens zweimal im Jahr gereinigt.

Reinigungssystem zur Innenreinigung von Glasdächern
Das Fraunhofer IFF hat ein Konzept zur Innenreinigung von Glasdächern und Atrien entwickelt. Das Konzept beruht auf einem seilgeführten Luftschiff, an dessen Vorderseite ein Kletterroboter sowie die Reinigungseinheit angebracht sind. Es müssen keinerlei gebäudeseitigen Anbauten wie Schienen oder ähnliches vorgesehen werden. Die Nutzung des Atriums wird auch während der Reinigung in keiner Weise gestört. Das Reinigungssystem gewährleistet die Reinigung der für Menschen schwer erreichbaren Unterseite von Glasdächern und ist zuverlässig gegen Absturz gesichert. Zudem bietet das Luftschiff eine hervorragende Möglichkeit der Nutzung des innovativen Reinigungssystemes zu Marketingzwecken.

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SIRIUSc ist der weltweit erste Fassadenreinigungsroboter für Hochhausfassaden, der alle erforderlichen Komponenten wie Robotertechnik, Reinigungstechnik, Absturzsicherung und Medienversorgung in einem Komplettsystem vereint. Der Roboter ist an unterschiedlichsten Fassaden einsetzbar und benötigt keine gebäudeseitigen Vorrichtungen an der Fassade. Dennoch ist er auch bei Windstärken arbeitsfähig, die eine manuelle Reinigung aus sicherheitstechnischen Gründen verbieten. Die hohe Reinigungsleistung, die ständige Verfügbarkeit und die minimalen Betriebskosten machen den Roboter SIRIUSc zu einem idealen Fassadenreinigungsroboter, der den guten optischen Eindruck des Gebäudes und den Werterhalt der Fassade sichert und als Werbeträger zu Marketingzwecken einsetzbar ist.

Wesentliche Eigenschaften sind:

• Komplettsystem zur automatischen Fassadenreinigung
• einsetzbar an unterschiedlichsten Fassadentypen
• keine Führungsschienen an der Fassade notwendig
• Bewegung erfolgt mit Vakuumsaugern
• vollautomatischer Betrieb
• effiziente und umweltschonende Reinigung durch spezielles Reinigungssystem
• einfache Bedienung

Systembeschreibung: Mit dem Roboter SIRIUSc existiert ein komplettes Baukastensystem mit aufeinander abgestimmten Komponenten für die automatische Reinigung von Hochhausfassaden. Die beiden herausragenden Komponenten des Roboters sind der Roboter und das Reinigungssystem.

Roboter: Zur Fortbewegung wurde eine Kinematik entwickelt, die an den unterschiedlichsten senkrechten und stark geneigten Fassaden und Flächen einsetzbar ist. Der Roboter bewegt sich mit Vakuumsaugnäpfen an der Fassade auf und ab, während er von der Befahranlage durch Drahtseile gehalten wird und gegen Absturz gesichert wird. Wichtigste Eigenschaften des Roboters SIRIUSc:

• Einfache Adaption an verschiedenste Fassadentypen
• Sichere Bewegung ohne Schieneninstallation in der Fassade
• Überschreiten von Hindernissen
• Selbständiges Erkennen von Fassadenstruktur und Hindernissen durch Sensoren
• Automatische Programmgenierung der Roboteraktionen gemäß der Sensordaten
• Geringer Lasteintrag in die Fassade
• Einfache Bedienung
• Erfüllung von Sicherheitsanforderungen (TÜV, BG)

Reinigungssystem: Es wird ein speziell für diesen Einsatzfall von der Partnerfirma Dornier Technologie entwickelter Reinigungskopf eingesetzt, der die Fassade mit Wasser und Bürsten effizient und umweltschonend reinigt. Das Wasser wird abgesaugt, gefiltert und dem Wasserkreislauf wieder zugeführt. Dadurch sind die gereinigten Scheiben sofort wieder trocken und es tropft kein Wasser an der Fassade herunter. Die wichtigsten Eigenschaften des Reinigungssystems sind:

• Vollständiges Absaugen des Wassers
• Wasserkreislauf mit Wiederaufbereitung
• Reinigungsleistung: max.120m²/h
• Wasserverlust (durch Verdunstung) ~1,5 l/h
• Angepasster Wasserspeicher (Standard: 30 Liter Inhalt)

Seit Frühjahr 2004 ist der Roboter SIRIUSc an einem Hochhaus in München im Einsatz.

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NOMAD ist ein Projekt innerhalb des durch die EU geförderten 5. Rahmenprogramms. (G1RD-CT-2000-00461). Das Projekt nutzt einen 6-Achs-Roboterarm zum Schweißen von großen Stahlkonstruktionen geringer Fertigungsstückzahl bzw. hoher Fertigungsvarianz. Der Schweißarm befindet sich auf einer mobilen, autonomen Roboterplattform (RTV). So kann der Schweißroboter beliebig am Werkstück positioniert werden, teure und aufwendige Konstruktionen zur Werkstückpositionierung werden vermieden. Das RTV kann sich so um das Werkstück bewegen, dass alle Schweißnähte durch den Roboterarm erreicht werden. Die Erkennung von Lage und Orientierung des Werkstückes erfolgt durch ein über der Werkzelle montiertes optisches Sensorsystem. Ebenso wird die Position des RTV durch dieses Sensorsystem erfasst und mit den Navigationsdaten der RTV-Steuerung verknüpft. Die Generierung der Programme für Roboterarm (Schweißen) und RTV (Navigation) erfolgt automatisch in Verbindung mit den originalen CAD-Daten des Werkstückes, den real durch das Kamerasystem gemessenen Daten und einem Simulationstool.

Das Konsortium:

• Fraunhofer IFF - Kamerasystem, RTV-Navigation
• Caterpillar Belgium S.A (Belgien) - Endanwender
• Delfoi OY (Finnland) - Simulationssystem
• Robosoft SA (Frankreich) - Fertigung des RTV
• TWI LTD (GB) - Forschungsorganisation für Schweißtechnologien
• Reis Robotics (Deutschland) - Roboterarm
• ESAB AB (Schweden) - Schweißprozess-Verbrauchsmaterialien
• Nusteel Structures LTD (GB) - Endanwender

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Der besondere Vorteil des TELOMICS(TM) ex vivo Robotics liegt in der vollständigen Integration von Gewebeanzucht und Versuchsdurchführung. Insbesondere die pharmazeutische Forschung, die neuartige Wirkstoffe und Medikamente sucht, testet die Wirksamkeit am lebenden Gewebe. Für die pharmazeutische Forschung ist eine Reihe von gewebespezifischen Krankheiten von Interesse. Ziel ist es, ein oder mehrere Krankheitsmodelle im automatisierten System zu etablieren und zu validieren. Dazu sind eine Vielzahl von Methoden und ein sehr großes Maß an Spezialwissen und technischem Equipment notwendig. Bisherige Hochdurchsatz-Screeningsysteme stützen sich meist auf Untersuchungen an Einzelzellen oder Molekülen. Komplexe Krankheitsbilder können jedoch nur durch einen Gewebeversuch nachgewiesen werden.

• TELOMICS(TM) verbessert die Qualität der Forschung: Anstelle von Einzelzellen werden Zellenverbände und Gewebe untersucht.
• TELOMICS(TM) steigert die Quantität der Forschung: Größere Mengen werden schneller und günstiger untersucht.

TELOMICS(TM) ex vivo Robotics ermöglicht durch individuelle Planbarkeit der Experimente eine Vielzahl von Versuchstypen und damit eine hohe Flexibilität. Sollten die vorhandenen Elemente nicht ausreichen, haben die Entwickler die Erweiterbarkeit des modularen Aufbaus mit neuen Geräten vorgesehen. Das Fraunhofer IFF und die KeyNeurotek AG entwickelten gemeinsam den Vollversuchsautomaten »TELOMICS(TM) ex vivo Robotics«. Er verbindet erstmals die Vorteile des gewebebasierten Screenings mit einem hohen Durchsatz an Testsubstanzen in simulierten Krankheitsmodellen. Dabei analysiert er über 5000 Gewebeschnitte wöchentlich und testet damit bis zu 150 Substanzen. Mit Hilfe der TELOMICS(TM)-Technologien werden derzeit Wirkstoffe gegen Erkrankungen des Nervensystems erforscht. Die Flexibilität der Anlage erlaubt auch die Untersuchung anderer Gewebetypen. Die automatisch unterstützte Berichterstellung führt zu einer schnellen Auftragsbearbeitung.

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Serviceroboter werden vor allem in schmutzigen und gefährlichen Umgebungen oder zur Erleichterung von monotonen Tätigkeiten entwickelt. Ein sehr wichtiger Markt für Serviceroboter ist die Instandhaltung schwer zugänglicher Bereiche. Hierzu zählen die

• Fassadenreinigung
• Inspektion von Gebäuden auf Risse oder Beschädigungen
• Renovierungs- und Sanierungsarbeiten (z.B. Farbbeschichten)

Ein weiteres Einsatzgebiet sind Reinigungs- und Lackierarbeiten an Schiffen.
Es werden Robotersysteme entwickelt, die sich auf unterschiedlichsten Flächen bewegen und Arbeiten wie Reinigen durchführen. Dies können Sonderkonstruktionen sein oder modulare Baukastensysteme wie die SIRIUS -Plattform.

Der Einsatz von sogenannten Fassadenrobotern anstelle von Personal gründet sich auf folgende Vorteile:

• Durchführung von Tätigkeiten an für Personal schwer zugänglichen Fassadenbereichen
• wirtschaftliche Vorteile
• geringe Betriebskosten

Die Fassadenrobotersysteme können mobil und stationär als voll- und teilautomatische Systeme eingesetzt werden.

Die Schwerpunkte der Entwicklungen am IFF liegen in der

• Mechanik, Kinematik
• Steuerungs- und Regelungstechnik
• Einsatz von Sensorsystemen zur Erfassung der Umgebungs- bzw. der Fassadenstruktur
• Navigationsverfahren
• Bedienung
• Sicherung des Robotersystems an dem Objekt gegen Absturz
• energetische Versorgung und Medienversorgung des Roboters
• Integration des Werkzeuges je nach Verfahren (Reinigen, Inspektion, Beschichten, Instandhaltung etc.)

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