Komplexe Aufgabe 31.03.2013, 08:15 Uhr

Mechatronik-Studenten lehren Industrieroboter Ostereiertanz

Ein Dreijähriger macht das mit links und verbundenen Augen: Ostereier aus einem Korb nehmen und in eine Standard-Eierpalette absetzen. Ohne Havarie. Für einen Industrieroboter ist dies eine Herkulesaufgabe. Osnabrücker Studenten haben der Maschine jetzt das präzise Eierlegen gelehrt.

Behutsam setzt der Industrieroboter das rote Ei in eine freie Kuhle auf der Eierpalette.

Behutsam setzt der Industrieroboter das rote Ei in eine freie Kuhle auf der Eierpalette.

Foto: Hochschule Osnabrück

Die Herausforderung ist groß für den Kerl in knallorange: Es gilt, bunt bemalte Ostereier unfallfrei aus einem Osterkörbchen zu greifen und in einer Eierverpackung abzusetzen. Der orangefarbene Kerl ist ein Industrieroboter, dessen Arm sich vorsichtig dem Osterkörbchen nähert. Sanft saugt er dann das oberste Osterei an, dreht es vorsichtig nach oben, um es dann behutsam in die bereitstehende Eierpalette zu versenken. Ohne ein ausgefeiltes Programm zur Robotersteuerung wäre dies sogar eine unlösbare Aufgabe. „Genauer gesagt, sind dafür sogar mehrere Programme und viele einzelne Schritte notwendig“, erklärt Sebastian Werning. Er und drei weitere Studenten der Hochschule Osnabrück arbeiten im Rahmen des Masterstudienganges Mechatronik an diesem Projekt.

Automatisiertes  Erkennen ungeordneter Gegenstände

Das Projekt trägt den leicht sperrigen Titel „3D-Erkennung von ungeordneten Objekten für eine Roboteranwendung“ – und hat Sebastian Werning und seine Kommilitonen Alexander Krieger, Insa Maßmann und Matthias Speer rund 160 Stunden ihrer Lebenszeit gekostet. Es galt, dem Roboter das dreidimensionale Sehen beizubringen, das Ei zu greifen, die Ausrichtung des Eis zu ermitteln und das Ei senkrecht auszurichten. Dann muss der Kerl in knallorange noch einen freien Platz auf der Eierpalette berechnen und das Ei dort platzieren. Ausgedacht hat sich diese schwere Aufgabe Professor Dr. Benno Lammen, Sprecher des Master-Studienganges „Mechatronic Systems Engineering“ (MSE), gemeinsam mit seinem Kollegen, dem Diplom-Ingenieur Heinz-Hermann Hillbrand.

„Dahinter steckt eine Problemstellung aus der Robotertechnik, der sogenannte ‚Griff in die Kiste‘. Ein Roboter soll dabei Objekte, die chaotisch in einer Kiste liegen, greifen und vereinzeln“, erläutert Lammen die Aufgabe und scherzt, „Aus dem ‚Griff in die Kiste‘ haben unsere vier Studierenden den ‚Griff ins Osterkörbchen‘ gemacht.“

Räumliche Information ist farblich codiert: Oben leuchtet es rot, unten blau

Die vier angehenden Mechatronik-Master haben dem Roboter für den erfolgreichen ‚Griff ins Osterkörbchen‘ zwei handelsübliche Kinect-Kameras eingesetzt, die ein dreidimensionales Tiefenbild der Eier im Körbchen liefern. Die tiefste Stelle leuchtet dunkelblau, die höchste Stelle dunkelrot. Ein ausgefeiltes Bildverarbeitungsprogramm erlaubt dem Roboter, aus diesem Falschfarbenbild zu erkennen, welches Ei im Korb wie und wo liegt. So kann er gezielt das oberste Ei mit seinem Sauger greifen. Dann kommt ein weiteres Programm ins Spiel, welches die Ausrichtung des Eis ermittelt und daraus die Bewegungen des Roboterarmes berechnet, die es braucht, um das Ei vertikal auszurichten. Im nächsten Schritt muss der Roboter die Befüllung der Standard-Ei-Palette checken und das aktuell zu platzierende Ei in seine Kuhle absetzen.

Mechatronik ist interdisziplinär und bildet Querdenker aus

Das studentische Quartett hat sich die Arbeit aufgeteilt. Insa Maßmann und Matthias Speer programmierten den Roboter, Alexander Krieger und Sebastian Werning kümmerten sich um die Bildverarbeitung, die Objekterkennung und die Hauptablauf-Routine. Hilfreich beii der Bewältigung der komplexen Aufgabe war, dass alle vier künftigen Mechatronik-Master aus verschiedenen Bachelor-Richtungen kommen. Sie vereinen in ihrem Team Abschlüsse in Technische Informatik, Wirtschaftsingenieurwesen, Automatisierungs- und Energietechnik sowie Elektronik und Kommunikation. Eine typische Mischung für den Master MSE, der auch für Absolventen anderer Programme, zum Beispiel Maschinenbau offen ist.

Das Team bei der Arbeit am Roboter.

Das Team bei der Arbeit am Roboter.

Foto: Universität Osnabrück

Die vier Studenten mussten den ‚Griff ins Osterkörbchen‘ eigenständig bewältigen. Laboringenieur Hillbrand hat ihnen lediglich eine Einweisung in die Thematik mitgegeben. „Sehen – begreifen – entwickeln: Darum geht es oft bei technischen Neuerungen“, sagt der Ingenieur. „Wenn ein Problem erkannt und die Aufgabe verstanden wurde, müssen Ingenieure oft verschiedene Wege ausprobieren, bis die Lösung funktioniert. Für uns Projektbetreuer heißt es dann: eigenständige Arbeit ermöglichen und nicht zu viel eingreifen.“ Der Mechatronik-Master wird als „Querdenker“ ausgebildet, der sich in unterschiedlichen Ingenieurbereichen auskennt. Er soll später in den Entwicklungsabteilungen von Unternehmen oder Forschungsinstituten mit neuen ungewöhnlichen Ideen punkten und für Innovationen sorgen.

25 deutsche Hochschulen bieten Mechatronik als Studienfach an

„Das Spannende an dieser recht neuen Ingenieurdisziplin ist das Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik und Informatik“, sagt Professor  Lammen, Erfinder der Osterei-Aufgabe. Für ihn ist die Mechatronik in ganz vielen Bereichen der Schlüssel für technologische Innovationen. Ganz gleich, ob in modernen Industrierobotern, Flugzeugen oder auch in Autos: In allen Bereichen, in denen Daten und Signale erfasst werden, dann automatisch verarbeitet und in Bewegungen von Maschinen umgesetzt werden müssen, ist Mechatronik im Spiel. Diese Erkenntnis hat sich auch in der Hochschul-Bildungslandschaft durchgesetzt: 25 deutsche Hochschulen bieten den Studiengang Mechatronik zum Diplom-Ingenieur oder als Bachelor-Master-Koppelung an.

Der Kerl in knallorange setzt derweil im Labor für Regelungstechnik und digitale Signalverarbeitung an der Hochschule Osnabrück zuverlässig Ei um Ei aus dem Nest in die Palette ab, die Programme steuern souverän den komplexen Ablauf aus Erkennen und Erfassen. Das studentische Quartett ist genauso froh wie ihr Mechatronik-Professor, die gestellte Aufgabe gelöst zu haben. „Die Kombination aus einer selbstentwickelten Bildverarbeitung zur Erkennung von Eiern mit Hilfe mehrerer günstiger 3D-Kameras einerseits und der Projizierung der gewonnenen Informationen auf die Bewegungsabläufe des Roboters andererseits hat mich fasziniert“, schwärmt Sebastian Werning über den erfolgreichen Projektabschluss. Begeistert zeigt sich auch Alexander Krieger: „Das Arbeiten mit einem solch komplexen Gesamtsystem – Roboter, Kamera und die Software – war sehr interessant für mich.“

Der Kerl in knallorange wünscht derweil einfach frohe Ostern und setzt munter ein weiteres Ei unfallfrei in die Standard-Palette. Gelernt ist eben gelernt.

Von Detlef Stoller

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