Produkte-Nachricht

Gimatic Vertrieb GmbH
FĂŒhlen durch Sehen - kamerabasierte Sensorsoftware vereinfacht Roboterhardware
maßgeblich

Das Startup RoVi Robot Vision von drei Forschern der TU MĂŒnchen hat es sich auf die Fahne geschrieben, die Hardware fĂŒr Roboter jeglicher Art maßgeblich zu vereinfachen: Auf Basis ihrer Forschungen ist es dem Team weltweit erstmals gelungen, teure traditionelle elektronische Sensoren durch eine neue Software und gĂ€ngige Kameras zu ersetzen. So lassen sich die Kosten von Robotern deutlich reduzieren.

Gimatic - FĂŒhlen durch Sehen

Die Idee fĂŒr die kamerabasierte Sensorsoftware fĂŒr intelligente Roboter entstand aus der Doktorarbeit zum Thema ‚Visuell-haptische Umgebungswahrnehmung fĂŒr autonome Robotersysteme‘ von MitgrĂŒnder Dr.-Ing. Nicolas Alt. Inspiriert von der Beobachtung, wie Roboterstaubsauger absichtlich und wiederholt auf Hindernisse fĂŒr die taktile Kartierung stoßen, entwickelte er wĂ€hrend seiner Promotion einen taktilen Sensor fĂŒr mobile Roboterplattformen. Der Sensor bestand aus einem einfachen Schaumstoffbalken, der von einer bereits vorhandenen Kamera am Roboter beobachtet wird und gleichzeitig als weicher StoßfĂ€nger dient.

Das gleiche Konzept gilt auch fĂŒr die taktilen Sensoren, die wir jetzt an den Fingern von Greifern anbringen“, erlĂ€utert Dr. Clemens Schuwerk, Control Engineering, Marketing and Sales bei RoVi. „SpĂ€ter haben wir das Konzept der Verwendung einer externen Kamera um die Kombination mit passiven Elementen erweitert, um weitere Sensoren fĂŒr Roboter zu bauen, nĂ€mlich Kraft-Momentensensoren und Winkelsensoren.“ Alle drei Sensorkonzepte sind patentiert oder zum Patent angemeldet.

Dr. Nicolas Alt und Dr. Clemens Schuwerk haben sich wĂ€hrend ihrer Promotionszeit am gleichen Lehrstuhl kennengelernt und sich schließlich mit dem dritten im Bunde, M. Sc. Stefan Lochbrunner bald darauf zusammengeschlossen, um die neue Technologie weiter zu entwickeln und zu kommerzialisieren und ein Unternehmen auszugrĂŒnden. Aus dem Forschungsprojekt entstand so 2016 ein Spin-off-Projekt. Finanziert wird das Projekt aktuell von EXIST Forschungstransfer, einem Förderprogramm des Bundesministeriums fĂŒr Wirtschaft und Energie speziell fĂŒr High-Tech GrĂŒndung aus der Forschung.

Gimatic - FĂŒhlen durch Sehen Bild 2
Ideengeber und MitgrĂŒnder Dr.-Ing Nicolas Alt, Computer Vision and Business Development bei RoVi

Prinzip der Sensorsoftware-Technologie
Die Sensorsoftware ersetzt komplexe hardwarebasierte Sensorsysteme und ermöglicht Robotern quasi das FĂŒhlen durch Sehen. Die technische Innovation umfasst die robuste Messung von Gelenkstellungen, Positionen, GreifkrĂ€ften, Kontaktprofilen und anderen taktilen bzw. haptischen Kontaktinformationen mit Hilfe von Bildverarbeitung und extern um den Arm oder am Greifer angebrachten Kameras.

Dieses neuartige Sensorkonzept lĂ€sst sich mit einer Analogie zum Menschen anschaulich erklĂ€ren: Mit geschlossenen Augen kann ein Mensch seinen Arm nur ungenau positionieren, da unsere Wahrnehmung der Position unserer Gliedmaßen und deren Gelenkstellungen wenig prĂ€zise ist. Klassische Industrieroboter arbeiten in der Regel zwar ‚blind‘, nutzen im Gegensatz zum Menschen jedoch eine hochgenaue Sensorik zusammen mit einer steifen Konstruktion, um trotzdem eine hochgenaue Positionierung des Endeffektors zu erreichen. Der Mensch dagegen verwendet zusĂ€tzlich die visuelle Wahrnehmung und somit eine multimodale Informationsverarbeitung, um eine prĂ€zise Manipulation von Objekten zu ermöglichen. Auf Ă€hnliche Weise werden mit der softwarebasierten Sensorik von RoVi Gelenkstellungen eines Roboterarms sowie Positionen und GreifkrĂ€fte unter Verwendung kostengĂŒnstiger Kameras erfasst und dadurch eine prĂ€zise und autonome Interaktion des Roboters mit Objekten ermöglicht.

Die Software berechnet die Gelenkstellungen eines Roboterarms im dreidimensionalen Raum mit Hilfe von Bildanalysealgorithmen. Kraft-Momentensensoren und taktile Sensoren werden durch einfache passive flexible Elemente wie kostengĂŒnstigen Schaumstoff ersetzt. KontaktkrĂ€fte fĂŒhren zu charakteristischen Verformungen dieser Elemente. Die Software misst diese Verformung ebenfalls mit Hilfe von Bildanalyseverfahren und berechnet anhand eines Materialmodells die anliegenden KrĂ€fte und Momente. Die Sensorsoftware ist anwendbar auf komplette Robotersysteme, Roboterarme, Greifer oder mobile Roboterplattformen und ermöglicht die intelligente Steuerung dieser Systeme.

Die RoVi-Software ersetzt eine Vielzahl von Sensorik in Robotersystemen, wodurch sich u. a. der Verkabelungsaufwand reduziert. Zudem ermöglicht sie die Realisierung von sensitiven und gleichzeitig kostengĂŒnstigen Robotern. Denn diese Kameras sind durch ihre enorme Verbreitung Ă€ußerst kostengĂŒnstig und leistungsstark. Zugleich sind sie fĂŒr die Umgebungserkennung auf Robotern unverzichtbar und deshalb bereits auf vielen Robotern vorhanden. Da die aktuelle Roboterkonfiguration ĂŒber externe Kameras und Software gemessen wird, mĂŒssen Verbindungselemente nicht zwangsweise möglichst steif konstruiert und hochprĂ€zise gefertigt werden. Stattdessen können nachgiebige Elemente und Materialien sowie einfachere Fertigungsverfahren mit geringerer PrĂ€zision eingesetzt werden. Dadurch lassen sich Kosten sparen und komplexe Schutzsysteme vermeiden. Mit flexiblen Elementen kann jedoch die Position des Arms nicht mehr mit wie herkömmlich ĂŒber die Gelenkstellungen und das starre Robotermodell berechnet werden. Eine externe Kamera in Verbindung mit der RoVi-Software ermöglicht dagegen trotzdem die prĂ€zise Berechnung der Position von Arm und Endeffektor, da auch Verformungen ĂŒber die Kamera erfasst werden.

Auch an industriellen Greifern werden Kameras zukĂŒnftig immer mehr zum Standard. Diese Kameras können in vielen FĂ€llen fĂŒr die beschriebene softwarebasierte Sensorik verwendet werden, da diese mit beliebigen Kameras zusammenarbeitet.

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Funktionsprinzip der kamerabasierten Sensorsoftware fĂŒr das intelligente Greifsystem

Kennwerte im Vergleich zur traditionellen Robotik
Industrielle Roboterarme mit herkömmlichen Hardware-Sensoren weisen sehr hohe absolute Genauigkeiten von <0,1 mm und hohe Gelenkgeschwindigkeiten auf, da sie speziell dafĂŒr konstruiert wurden. Hardware-Sensoren können hier Abtastraten von >1 kHz liefern. „Es ist nicht das Ziel unserer Technologie, mit diesen Werten zu konkurrieren“, sagt Dr. Schuhwerk. „Ein relevantes Maß fĂŒr Roboter in unbekannten und verĂ€nderbaren Umgebungen ist die relative Genauigkeit zwischen Roboter und Zielobjekt. Und hier sehen wir unser Terrain. Genauso wie jeder Industriearm, der mit einer Kamera ergĂ€nzt wird, sind wir dabei durch die kamerabasierte LageschĂ€tzung des Zielobjekts begrenzt. In typischen Setups mit einfachen Kameras erreichen wir ca. 1 mm. Ultra HD-Kameras erlauben <0,3 mm. Wir streben eine Geschwindigkeit von <45°/s an“ erlĂ€utert Clemens Schuwerk. Das sei fĂŒr Roboter ‚außerhalb des KĂ€figs‘ eine sichere Wahl und wird ebenso von vielen existierenden Robotern verwendet.

Die Genauigkeit der taktilen und Kraft-Momenten-Sensoren hÀngt stark von der Kameraeinstellung (Abstand, Auflösung) ab. In typischen FÀllen wird eine Genauigkeit von unter 5 % erreicht, die mit der Genauigkeit von Hardware-Sensoren im mittleren Preissegment vergleichbar ist.

Intelligenter Greifer mit integrierter Kamera
FĂŒr das intelligente Greifsystem mit integriertem Stereo-Kamerasystem und kamerabasierter Sensorik wurde der Zweibacken-Greifer MPLM1630HAN von Gimatic eingesetzt. Zum einen passt dieser gut zu den Anwendungen der aktuellen BaugrĂ¶ĂŸe zur Kommissionierung von Kleinteilen. „Vor allem aber konnten wir keinen alternativen Greifer am Markt finden, der uns eine direkte Ansteuerung des Motors erlaubt“, erinnert sich der Jungunternehmer. Diese Schnittstelle ist wichtig, damit die Sensordaten aus der Software dazu verwendet werden können, den Greifprozess intelligent zu steuern und zu ĂŒberwachen.

Der Gimatic Greifer erlaubt durch die offene Schnittstelle zum Motor die schnelle und einfache Entwicklung eines Prototyps. „WĂ€hrend wir hier auf qualitativ hochwertige und geprĂŒfte/bewĂ€hrte Hardware zurĂŒckgreifen, können wir uns auf unser Kernthema Software konzentrieren“, freut sich Dr. Schuwerk und weiter: „FĂŒr junge Startups wie uns ist es besonders wichtig, die uns zur VerfĂŒgung stehenden begrenzten Ressourcen effizient einzusetzen. So bekommen wir trotzdem schnell ein Produkt zum Pilotkunden und können dieses mit dem gewonnen Feedback weiterentwickeln.“

Gimatic - FĂŒhlen durch Sehen Bild 4
Kamera und Software ersetzen Sensorik und sparen jede Menge Kosten

Herausforderungen bei der Entwicklung
„Der Bau eines Roboters ist generell eine Herausforderung, die verschiedenen Disziplinen wie Mechanik, Elektronik, Steuerung, Software und Computer Vision in einem kleinen Team zu bewĂ€ltigen. So mussten auch wir separate Entwicklungsprojekte fĂŒr jede Disziplin vermeiden“, sagt Dr. Clemens Schuwerk. Die Kernkompetenz von RoVi liege aber nun mal im Bereich Software und so wollten die Jungunternehmer bei der Hardware auf vorhandene Komponenten zurĂŒckgreifen. „Es gibt nur eine sehr begrenzte VerfĂŒgbarkeit von offener und/oder modularer Hardware fĂŒr die Robotik, was den Aufbau eines Demosystems erschwert hat“, sagt Dr. Schuwerk. „Genau aus diesem Grund haben wir uns fĂŒr den Greifer von Gimatic entschieden, denn die ‚offene‘ Schnittstelle zum Motor gibt es sonst nicht am Markt. Wir sind noch auf der Suche nach weiteren Partnern fĂŒr bestimmte Teilsysteme wie Robotergelenke und -getriebe. Schließlich soll die Software kontinuierlich weiterentwickelt werden und dabei wolle man vor allem sehr nah mit Kunden und Partnern zusammenzuarbeiten.

Zum Erschließen neuer Einsatzfelder
Traditionelle Industrieroboter wie sie zu Handhabung von Materialien, Montage oder in der Logistik Einsatz finden, sind heute zum Großteil auf bestimmte Anwendungen abgestimmte, vorprogrammierte Spezialisten. Diese erledigen meist 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche verlĂ€sslich ihre Aufgabe. „Mit unserer Technologie zielen wir nicht auf traditionelle Anwendungen der Automatisierungstechnik ab, wo sehr geringe Zykluszeiten fĂŒr fest definierte bzw. vorprogrammierte Aufgaben benötigt werden. Unsere Sensorsoftware ermöglicht neuartige Roboterarme und -greifer, die sensitiv und autonom agieren, dabei aber technisch stark vereinfacht und deshalb sehr kostengĂŒnstig herstellbar sind“, erlĂ€utert der MitbegrĂŒnder die Einsatzvision. Damit ermöglicht das Startup den Einsatz von Robotern in ganz neuen MĂ€rkten und Applikationen, die mit heutigen Technologien nicht wirtschaftlich realisierbar wĂ€ren. Anwendungsbeispiele finden sich in sĂ€mtlichen Bereichen der Industrie, aber bevorzugt dort, wo eine flexible und sichere Handhabung von Objekten nötig ist wie in Logistik, Landwirtschaft, Nahrungsmittelindustrie oder auch in Bereichen, wo sich Roboter an einen schnell verĂ€nderten Produktmix anpassen mĂŒssen. Mittelfristig sehen die Forscher Anwendungen fĂŒr die Technologie aber auch fĂŒr Haushaltsanwendungen, wo allgemein ein enormer Preisdruck herrscht.

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Dr.-Ing. Clemens Schuwerk, Control Engineering, Marketing and Sales bei RoVi

Erste Erfolge und Blick in die Zukunft
Erstmals wurde die kamerabasierte Sensorsoftware fĂŒr einen Tischroboterarm auf der Hannover Messe 2018 vorgestellt. Die Resonanz der Standbesucher war sehr positiv. „Wir konnten mit einigen wichtigen EntscheidungstrĂ€gern aus der Industrie sprechen und unser Produkt prĂ€sentieren. Gleichzeitig konnten wir mit sehr vielen Anwendern aus den verschiedensten Branchen reden. Dabei ergaben sich ganz neue Anwendungsmöglichkeiten fĂŒr unsere Sensorlösung, welche wir so bisher noch gar nicht im Blick hatten“, resĂŒmiert Dr. Schuwerk. Im Juni wird RoVi ĂŒbrigens auf der Automatica in MĂŒnchen vertreten sein.

Als junges Startup verfolgen die drei Forscher das primĂ€re Ziel, die Technologie bei Pilotkunden zum Einsatz zu bringen. Dabei sind sie auf der Suche nach visionĂ€ren Unternehmern, deren Prozesse sie mit intelligenten und kostengĂŒnstigen Robotersystemen verbessern und automatisieren können. Langfristig sehen sie sich als Anbieter dieser Sensorsoftware, welche sie an Hersteller von Robotersystem und Integratoren lizenzieren.

Video vom ersten Prototypen

 


Firmenprofil
Das 1985 gegrĂŒndete Unternehmen Gimatic S.r.L. mit Firmensitz im norditalienischen Roncadelle entwickelt und fertigt hochmoderne pneumatische und mechatronische Komponenten und Systemlösungen fĂŒr Endkunden und Zulieferer.

Gimatic - Firmensitz
Der Firmensitz von Gimatic in Roncadelle, Italien

Das in den vier Standbeinen „Handling“, „Plastics“, „Mechatronics“ und „Sensors“ gegliederte Portfolio Greifer, Lineartechnik und Sensorik findet Einsatz in der Automobil-, Elektronik-, Lebensmittel-, Pharmaindustrie sowie Medizintechnik. Ein besonderes Augenmerk legt das Unternehmen auf die Kunststofftechnik. In allen Branchen nimmt Gimatic eine technologische und markfĂŒhrende Stellung bei kunden- und anwendungsspezifischen Komponenten und Systemen fĂŒr die Automatisierung ein.

Nach der Übernahme der Mehrheitsbeteiligung an der Gimatic Gruppe durch den europĂ€isch-asiatischen Private-Equity-Fond AGIC Capital im Jahr 2016 soll deren Internationalisierung und Expansion beschleunigt werden. Im Fokus stehen dabei zunehmend mechatronische Produkte, die auch der fortschreitenden Industrie 4.0 Umsetzung gerecht werden. Der fĂŒhrende Anbieter von Komponenten und Systemlösungen fĂŒr industrielle Automatisierung und Handling hat mit zwölf weltweiten Niederlassungen im Jahr 2017 einen Umsatz von knapp 50 Millionen Euro erwirtschaftet.

Die Gimatic Vertrieb GmbH in Hechingen ist die deutsche Niederlassung der Gimatic Gruppe. Sie verantwortet mit knapp 20 Mitarbeitern neben Deutschland auch den Vertrieb in der Schweiz und in Österreich. Neben dem Vertrieb und der technischen Beratung fĂŒr die Gimatic Katalogartikel werden am Standort kundenspezifische OEM Produkte projektiert sowie Systemlösungen fĂŒr Greifer- und Lineartechnik gebaut.

 


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Gimatic_-_LogoGimatic Vertrieb GmbH
LinsenÀcker 18
D-72379 Hechingen

Tel. +49 (0) 74 71 - 9 6015 0
Fax +49 (0) 74 71 - 9 6015 19

zentrale@gimatic.com 
www.gimatic.com 

GeschĂ€ftsfĂŒhrer
Johannes Lörcher, Dipl. Ing (FH)
j.loercher@gimatic.com


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