Die Technische Universität Ilmenau hat soeben das Forschungsprojekt „Engineering for Smart Manufacturing (E4SM)“ erfolgreich abgeschlossen. In dem interdisziplinär angelegten Projekt erforschten Wissenschaftler, begleitet von einem Beirat hochkarätiger Forschungseinrichtungen und Unternehmen, innovative Techniken für die intelligente Fertigung und Montage der Zukunft, bei denen die Interaktion zwischen Menschen und Maschinen im Mittelpunkt steht. Die Carl-Zeiss-Stiftung förderte das E4SM-Projekt im Rahmen ihres Programms „CZS Durchbrüche“ zur Erforschung intelligenter Systeme mit drei Millionen Euro für fünf Jahre.
Industrie 4.0 – die intelligente Vernetzung von Maschinen und Abläufen in der Industrie mit Hilfe von IT – war einmal: Mit dem E4SM-Projekt startet die TU Ilmenau in das Zeitalter von Industrie 5.0, die den Menschen wieder ins Zentrum von Fertigungsprozessen in Industrie und Handwerk stellt. Menschen und Maschinen werden dabei mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz so aufeinander eingestellt, dass neue Fertigungsaufgaben schneller und effizienter als bisher gelöst werden können.
Intelligente Maschinen und Roboter, die den Menschen in der industriellen Produktion helfend zur Seite stehen – das war vor fünf Jahren die Vision des E4SM-Projekts. Das ambitionierte Ziel: Die Roboter sollten, KI-gestützt, die eigenen Handlungen autonom auf die der Menschen abstimmen. Dabei standen die Anforderungen und Besonderheiten von Fertigungs- und Montageprozessen kleiner und mittelgroßer Unternehmen, wie sie im mittelständisch geprägten Thüringen vorwiegen, im Mittelpunkt.
Sieben Fachgebiete der TU Ilmenau arbeiteten im E4SM-Projekt eng mit hochkarätigen Forschungseinrichtungen und Unternehmen zusammen: dem Honda Research Institute Europe, bekannt für den autonomen humanoiden Roboter „Asimo“, der Robert Bosch GmbH und dem Maschinenbauunternehmen Henkel und Roth aus Ilmenau mit Kompetenz in industrieller Montage, dem Maschinen- und Anlagenkonstrukteur LASO tech Systems aus Suhl, das umfassende Kenntnisse in Schweißtechniken aufweist, dem Ilmenauer Hersteller von Servicerobotern und Roboterplattformen Metralabs und dem TÜV Thüringen mit seiner Expertise für Sicherheitsaspekte.
Auf dem Weg zur Industrie 5.0 erzielte das E4SM-Projekt zukunftsweisende Durchbrüche:
Durchbruch 1: 3D-Multi-View-Stereosystem zur sicheren Zusammenarbeit von Mensch und Roboter
Von zentraler Bedeutung bei der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ist die Sicherheit. Um im Zusammenspiel von Mensch und Maschine seine Aufgabe nicht nur perfekt erledigen zu können, sondern auch ohne dabei den Menschen zu gefährden, muss der Roboter dessen Handlungen im Montageprozess in der realen Umgebung dreidimensional erfassen können. Dazu setzten die Forscher multimodale Bildgebung ein, bei der Wärmebilder mit RGB-Farbbildern und mit 3D-Punktwolken zu hochgenauen großflächigen dreidimensionalen Abbildungen der Raumumgebung kombiniert wurden. Bei dem innovativen sensorbasierten 3D-Multi-View-Stereosystem kalibrieren sich die verschiedenen Kameras robotergestützt selbst.
Durchbruch 2: Erkennung der Montageaktion und entsprechende autonome Assistenz
Eine perfekte Zusammenarbeit von Menschen mit Robotern – Fachleute sprechen von Mensch-Roboter-Kollaboration – ist vor allem abseits voll automatisierter Produktionsketten notwendig, dort, wo zur Montage von Kleinserien Roboter den Menschen assistieren, indem sie Teilaufgaben übernehmen. Ohne langwierig angelernt werden zu müssen, soll der Roboter den Fortschritt der Montage beobachten und bei immer wiederkehrenden Aufgaben selbstständig tätig werden.
KI-basiert erkennt der E4SM-Roboter die Aktionen, die der Mensch gerade durchführt
Bedeutsamer Durchbruch bei der kollaborativen Montage durch Mensch und Roboter: KI-basiert erkennt der E4SM-Roboter die Aktionen, die der Mensch gerade durchführt, und auch die dabei verwendeten Werkzeuge und Werkstücke. So erfasst er den jeweiligen Montagefortschritt und kann selbstständig entscheiden, wo er behilflich sein kann. Auch kann der Roboter beliebige, ihm vorher nicht bekannte Objekte in der Einsatzumgebung finden und greifen. Nach bisherigem Stand der Technik funktioniert dies nur für vorher definierte, bekannte Objekte. Damit schuf das E4SM-Projekt die notwendigen Voraussetzungen, um vorausschauend zu planen und später benötigte Objekte zu holen und anzureichen.
Durchbruch 3: Flexibles und kostensparendes KI-unterstütztes Laserstrahlschweißen
Beim Laserstrahlschweißen mussten bislang aufwändige und teure Spannvorrichtungen eingesetzt werden, um die Bleche, die miteinander verbunden werden sollten, zu fixieren. Die Vision des E4SM-Projekts: Die zu verbindenden Bleche werden von Roboterarmen gehalten. Mithilfe von künstlicher Intelligenz wurde ein entscheidender Durchbruch erzielt, indem der Schweißvorgang kontaktlos analysiert und in Echtzeit vorausgesagt wird, wann ein Spalt entstehen wird. Durch kontrolliertes Zusammendrücken der Bleche kann dies vermieden werden, sodass der Laser weiterhin beide Bleche trifft und sie somit verschweißen kann. Dabei sagt die KI die Kraft vorher, die aufgewendet werden muss, um die Position der Bleche für den Schweißvorgang optimal anzupassen.
Durchbruch 4: Interaktive visuelle Werkzeugkette für kleine und mittlere Unternehmen
Neben der Entwicklung von KI-gestützten Robotern war es auch Ziel des E4SM-Projekts, für die Industrie Verfahren zu entwerfen, mit denen sie selbst KI-basierte Assistenzsysteme entwickeln können. Der Durchbruch: Kleine und mittlere Unternehmen werden durch eine interaktive visuelle Werkzeugkette dabei unterstützt, effiziente und sichere Anwendungen zu entwickeln, die in der eigenen Produktion eingesetzt werden können. Da hierfür kein detailliertes Fachwissen erforderlich ist, wird der Entwicklungsprozess für Anwender wesentlich vereinfacht.
Über die Carl-Zeiss-Stiftung
Die Carl-Zeiss-Stiftung hat sich zum Ziel gesetzt, Freiräume für wissenschaftliche Durchbrüche zu schaffen. Als Partner exzellenter Wissenschaft unterstützt sie sowohl Grundlagenforschung als auch anwendungsorientierte Forschung und Lehre in den MINT-Fachbereichen (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik). 1889 von dem Physiker und Mathematiker Ernst Abbe gegründet, ist die Carl-Zeiss-Stiftung eine der ältesten und größten privaten wissenschaftsfördernden Stiftungen in Deutschland. Sie ist alleinige Eigentümerin der Carl Zeiss AG und SCHOTT AG. Ihre Projekte werden aus den Dividendenausschüttungen der beiden Stiftungsunternehmen finanziert.