Kooperative Industrierobotik für flexible Fertigungsprozesse

Fertigungsunternehmen – vor allem kleine und mittlere – stehen unter Druck, immer variantenreichere Produkte und Bauteile effizient herzustellen. Insbesondere bei kleinen Stückzahlen und häufig wechselnden Arbeitsschritten stoßen spezialisierte Werkzeugmaschinen an wirtschaftliche Grenzen.

Stand der Technik

Konventionelle Werkzeugmaschinen liefern höchste Präzision, sind aber teuer und auf klar definierte Aufgaben zugeschnitten. Einzelne Industrieroboter bieten dagegen mehr Flexibilität, scheitern jedoch an kraftintensiven Bearbeitungsprozessen wie Fräsen oder Biegen. Ein Roboterarm ist aufgrund mangelnder Steifigkeit nachgiebig. Dadurch entstehen bei solchen Prozessschritten Abweichungen. Bestehende Lösungen erfordern zudem Spezialwissen für die Programmierung.

Technologie

Multi-Roboter-Systeme gelten als vielversprechend, bislang fehlen jedoch Konzepte zur adaptiven Kraftverteilung und einfachen Bedienung. Forschende vom Institut für Regelungs- und Steuerungssysteme (IRS) am KIT haben dafür ein neues Regelungs‑ und Automatisierungskonzept entwickelt: Zwei Industrieroboter werden physisch zu einem Gesamtsystem gekoppelt und über eine zentrale Recheneinheit koordiniert, die Sensordaten zu Position und Belastung in Stellgrößen für beide Roboter verarbeitet. Eine gezielte Trajektorienplanung (Berechnung optimaler Bewegungsbahnen) wählt Konfigurationen mit hoher Steifigkeit im Arbeitsraum. Eine modellprädiktive Regelung (vorausschauende Regelung auf Basis eines physikalischen Modells) verteilt die Prozesskräfte kontrolliert und synchronisiert hochgenaue Bewegungen. So können beide Roboter Werkzeuge oder Werkstücke präzise entlang vorgegebener Bahnen führen. Eine KI‑basierte Aufgabenplanung erlaubt die intuitive Bedienung: Nutzende formulieren Aufgaben in natürlicher Sprache, die durch das Sprachmodell automatisch in ausführbare Roboterbefehle übersetzt werden.

Vorteile

Die Kopplung mehrerer Roboter steigert Steifigkeit und Genauigkeit deutlich gegenüber Einzelrobotern. Unternehmen profitieren von der hohen Flexibilität, da sich unterschiedliche verarbeitende Fertigungsprozesse auf derselben Roboterzelle abbilden lassen. Perspektivisch unterstützt das Regelungskonzept zudem sichere Mensch‑Roboter‑Interaktionen ohne klassische Schutzumhausungen.

Optionen für Unternehmen

Das KIT sucht Partner – Robotik herstellende oder anwendende Unternehmen – die das System gemeinsam für konkrete industrielle Anwendungen weiterentwickeln möchten: Von ersten Erprobungen über das Einbringen eigener Prozessanforderungen bis hin zu anwendungsspezifischen Demonstratoren.