Natürlich-räumliche Industrieroboterprogrammierung auf Basis markerloser Gestenerkennung und mobiler Augmented Reality

摘要

Vor dem Hintergrund steigender Anforderungen an produzierende Unternehmen im globalen Wettbewerb übernimmt die Industrierobotik in den westlichen Industrienationen eine Schlüsselrolle zur Flexibilisierung und kosteneffizienten Gestaltung von Produktionsprozessen. Als Flaschenhals erweist sich für kleine und mittlere Unternehmen oftmals der Prozess der manuellen Programmierung von Industrierobotern. Dementsprechend besteht die Motivation, den Programmierprozess effizienter und einfacher zu gestalten. Zu diesem Zweck soll die Mensch-Roboter-Kommunikation der natürlichen Mensch-Mensch-Kommunikation angenähert werden. In dieser Arbeit wird ein Interaktionskonzept unter der Verwendung natürlicher Kommunikation in Form von markerloser Gestenerkennung vorgestellt. Der Anwender wird in die Lage versetzt, das Programm im Sinne des Paradigmas „Programming by Demonstration“ durch gestenbasiertes Vormachen zu definieren. Dabei zeichnet der Anwender die Posen oder Bahnen aus freier Hand in den Raum. Zur Adressierung von Nutzergruppen mit unterschiedlichem Qualifikationsgrad wird neben der bewegungsorientierten Programmierebene eine aufgabenorientierte Programmierung betrachtet. Kombiniert wird die prozessnahe Definition des Roboterprogramms mit Simulationstechniken der Augmented Reality. Durch den Einsatz von Handheld-Geräten wird eine mobile Visualisierung und Simulation des Roboterprogramms auf beliebigen Smartphones und Tablet-PCs ermöglicht. Zudem entsteht durch synergetische Kombination von Gesten und Augmented Reality eine intuitive Art der Interkation, die es dem Anwender ermöglicht, Roboterprogramme über natürliche Bewegungen interaktiv im Raum zu manipulieren. Die Umsetzung des Interaktionskonzepts in Form eines Programmiersystems erfolgt kosteneffizient durch die Verwendung von Motion-Tracking-Sensorik aus dem Consumer-Bereich. Die zentrale Programmierumgebung stellt eine Android-App, welche mit einer vereinheitlichten Schnittstelle zur Übertragung und Ausführung der Programme auf beliebigen Robotersteuerungen ausgestattet wird. Darüber hinaus erfolgt eine drahtlose Anbindung der App an betriebliche Informations- und Kommunikationssysteme. Zur Erprobung der aufgabenorientierten Programmierebene wurde ein Pick-and-Place-Prozess umgesetzt, bei dem der Anwender virtuelle Objekte im Raum manipuliert. Aus der Wahrnehmung der Manipulation lässt sich automatisiert das entsprechende Roboterprogramm generieren. Eine umfangreiche Nutzerstudie vergleicht das räumliche Programmiersystem mit der klassischen Teach-In-Programmierung sowie der Offline-Programmierung. Verglichen werden die Kriterien der Programmierdauer, der Programmierfehler und eine subjektive Bewertung der Programmierverfahren, um Aussagen über die allgemeinen Ziele der Effizienz, Effektivität und Nutzerfreundlichkeit zu treffen. Die Auswertung der Studie belegt eine signifikante Reduzierung der Programmierdauer sowie eine verbesserte Wahrnehmung der Nutzerzufriedenheit für die räumliche Programmierung. Zudem wird im Vergleich zum Teach-In eine Verringerung der Programmierfehler erreicht.