Bildschirmfreie Roboterprogrammierung für Nichtexperten mittels Roboterzustandsautomaten

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Sauer, Lukas:
Bildschirmfreie Roboterprogrammierung für Nichtexperten mittels Roboterzustandsautomaten.
Bayreuth , 2024 . - VII, 179 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007687

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Abstract

In kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) ist die Automatisierung mit Robotern eine laufende Entwicklung, und es existieren noch ungenutzte Potenziale. Ein Faktor ist dabei der Programmieraufwand: Durch kleinere Losgrößen muss sich eine häufigere Neuprogrammierung gegen den Nutzen aus kürzeren Produktionsphasen amortisieren. Daraus motiviert sich die intuitive Roboterprogrammierung, die generell den Programmiervorgang beschleunigen, aber insbesondere auch die Programmierung durch existierendes Personal (in der Regel Domänenexperten, aber Robotik-Nichtexperten) ermöglichen soll.
Existierende Ansätze in diesem Bereich, aus der Forschung wie kommerziell, stützen sich zumeist auf grafische Editoren oder Assistenten. Gleichzeitig finden Leichtbauroboter zunehmend Verbreitung, da auch diese durch geringere Anschaffungskosten und geringeren Aufwand für Sicherheitsmaßnahmen neue Marktsegmente eröffnen. Meist bringen sie die Möglichkeit der kinästhetischen Führung mit sich, d.h. das Bewegen des Roboters durch das direkte Ausüben von Kräften, beispielsweise mit den Händen am Endeffektor. Daher wären Systeme von Interesse, bei denen auch die übrigen Eingaben direkt über den Roboter stattfinden können, und keine Wechsel zu anderen Eingabegeräten nötig sind. Durch den Verzicht auf Bildschirme und Eingabegeräte ließe sich auch der Hardwareaufbau im Arbeitsraum des Roboters verringern. Die vorliegende Arbeit widmet sich deshalb der Frage, inwieweit zur Programmierung von Leichtbaurobotern durch Nichtexperten auf eine grafische Schnittstelle verzichtet werden kann.
Zur Umsetzung eines solchen bildschirmfreien Systems wird in dieser Arbeit auf Zustandsautomaten zurückgegriffen. Diese basieren auf einfachen Grundprinzipien wie der schrittweisen Aneinanderreihung von Zuständen und damit verbundenen Aktionen, oder der Auswahl zwischen Folgeschritten anhand des aktuellen Aufgabenzustands. Damit sind Nutzende zugleich in der Lage, Schleifen und Verzweigungen im Kontrollfluss umzusetzen.
Die in der Arbeit entwickelte Automatenvariante der Roboterzustandsautomaten bietet zentrale Fähigkeiten zur Automatisierung einfacher Aufgaben an, etwa die Spezifikation von Bewegungen in absoluten Koordinaten, relativ zur vorherigen Pose oder relativ zu Objekten im Arbeitsraum. Zur Erzeugung von Programmstruktur ohne explizite Eingabe durch die Nutzenden wird ein alternativer Ansatz vorgestellt, der Teile des Automaten auf Basis einer formulierten Ähnlichkeitsheuristik automatisch zusammenfügt. Auch eine Anwendung des Systems auf Szenarien mit mehreren Roboterarmen wird betrachtet, insbesondere der prototypisch implementierte Spezialfall von zwei Robotern. Um die Benutzung des Systems rein über den Roboter zu realisieren, wird auf sogenannte haptische Eingaben zurückgegriffen. Der Begriff beschreibt hier bestimmte Bewegungen, die während der Führung durch den Roboter erkannt werden und Operationen des Programmiersystems auslösen. Haptische Eingaben stellen ein bisher spärlich erforschtes Feld dar, weshalb dem vorgestellten Entwurf eine Vorstudie vorangeht. Die in mehreren Studien zu verschiedenen Aspekten des Systems erhobenen Daten deuten darauf hin, dass das System auch ohne grafische Schnittstelle Nutzenden, insbesondere Nichtexperten, eine erfolgreiche Erzeugung von Roboterprogrammen ermöglicht.

Abstract in weiterer Sprache

In small and medium-sized entersprises (SME), automatisation with robots is an ongoing process, and there is still unused potential. One contributing factor is programming effort: Because of smaller lot sizes, a more frequent reprogramming has to pay off against the benefits from shorter production runs. This motivates the field of intuitive robot programming, which aims at a faster programming process, but also at enabling existing personnel (generally, domain experts, but robotics non-experts) to do the programming
themselves.
Existing approaches, both in research and commercial, are mostly based on graphical editors or wizards. Meanwhile, lightweight robots are increasingly employed, since with
their lower costs and lower requirements for additional security measures they also open up new market segments. These usually support kinesthetic guiding, that is, moving the robot by direct application of forces e.g. by hand on the endeffector. Because of this development, systems would be interesting where other inputs also happen directly via
the robot, and no switching between different input devices is necessary. Doing away with screens and input devices would also reduce the amount of hardware in the robot
workspace. Thus, the present work is dedicated to the question to which extent the programming of lightweight robots by non-experts can forgo a graphical interface.
The implementation of such a screenless system proposed in this work makes use of state automata. These are based on simple principles like stepwise sequencing of states and the associated actions, or selection between different succeeding steps by means of the current state of the task. They also enable users to realize loops and branchings in the control flow of their programs. Additionally, Robot State Automata, the variant developed in this work, offer key functionality to automatise simple tasks, like specifying movement in absolute coordinates, relative to the previous pose, or relative to objects in the workspace. In order to generate program structure without explicit specification by the user, an alternative approach is presented which automatically unifies parts of the automaton based on a heuristic for consistency. An application of the system to scenarios with multiple robot arms is considered, including the prototypically implemented specific case of two robots. To realize usage exclusively via the robot, so-called haptic inputs are employed. This term denotes specific movements which are detected while guiding the robot and which trigger operations of the programming system. Haptic inputs have scarcely been investigated previously, so a preliminary study precedes the actual design.
Data from multiple user studies covering different aspects of the system indicate that the system, even without a graphical interface, enables users, especially non-experts, to successfully generate robot programs.