Styroporschnitt mit Schwung

Bei uns zieht ein zweiarmiger Roboter einen geschwungenen Draht durch den Styroporblock. Der Roboter spannt, verbiegt und verdreht den Draht noch w?hrend des Schneidevorgangs. So lassen sich Oberfl?chen mit unterschiedlichen W?lbungen effizient realisieren. Die Figur des Kaninchens wurde mit nur zehn Schnitten erzeugt.

Wer steuert den Roboter?

Der Roboter arbeitet weitestgehend autonom. Er plant und optimiert seine Schnitte. Dabei kann der Roboter den Draht weder sehen noch f¨¹hlen. Wir haben einen Algorithmus entwickelt, der dem realen Draht und dem realen Styroporblock einen virtuellen Doppelg?nger gibt. Der Roboter plant seine Arbeitsschritte in dieser virtuellen Welt und achtet auch darauf, dass der Draht nicht reisst oder das Kaninchen vom Sockel gestossen wird.

Was sind die Herausforderungen?

Das Resultat, also die fertig geschnittene Figur, ist nur so gut wie unsere Abbildung der Realit?t im virtuellen Arbeitsraum des Roboters. Es gibt dabei viele eng aneinander gekoppelte Teilprobleme, die zeitgleich gel?st werden m¨¹ssen. Wie biegt sich der Draht? Welche Bewegungen k?nnen die Roboterarme kollisionsfrei ausf¨¹hren? Was sind die besten Schnitte, um die vorgegebene Geometrie im Styropor zu verwirklichen? Dies f¨¹hrte zu einem sehr komplexen Optimierungsproblem, das es zu l?sen galt. Damit ein normaler Computer nicht ewig rechnet, mussten wir daf¨¹r noch eine effiziente Methode finden. Unser Algorithmus braucht 4 Minuten f¨¹r einfache Formen und bis zu 4 Stunden f¨¹r komplexe Formen. Das Kaninchen liegt mit gut 2 Stunden Rechenzeit im Mittelfeld.

Was war so eine typische Falle, in die Ihr getappt seid?

Einer der ersten Fehler lag in der Simulation der Materialeigenschaften des Drahtes. Anhand von Materialdaten l?sst sich absch?tzen, wie stark sich ein Draht verbiegen l?sst, ohne Schaden zu nehmen. Wir haben die Herstellerdaten ¨¹bernommen und ausser Acht gelassen, dass wir nicht bei Raumtemperatur arbeiten, sondern den Draht f¨¹r den Schneidevorgang erhitzen. Ein heisser Draht verliert seine Elastizit?t schon bei wesentlich tieferer Krafteinwirkung und ver?ndert beim Biegen dauerhaft seine Grundform. Der reelle Draht schnitt somit eine andere Fl?che als der berechnete Draht im virtuellen Raum. Das Ergebnis war dann kein Kaninchen. Nach diesen Kinderkrankheiten erwies sich der Prozess dann aber als erstaunlich robust.

Wie kam es zur Patentanmeldung?

In der Forschungsgruppe von Prof. Coros arbeiten wir sehr anwendungsorientiert. Das ¨¹bergeordnete Ziel ist, den Robotern die physikalische Welt verst?ndlich zu machen, so dass sie sich besser in unserer Welt zurechtfinden und wertvolle Arbeit leisten k?nnen. Im konkreten Fall sehen wir kommerzielles Potential beim Styroporschnitt, was eine Patentanmeldung nahelegte. Der Roboter erleichtert die Herstellung von Skulpturen oder Prototypen. Die Styroporobjekte finden Anwendung als Elemente des B¨¹hnenbilds, als W?rmeisolatoren im Anlagenbetrieb oder als Schalung beim Betongiessen. Wer Interesse an dieser Erfindung hat, darf sich gern bei uns melden.