Control 2024 Mobile 3D-Vermessung auf vier Pfoten

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Mit ihrem Handscanner goScout3D haben Forschende des Fraunhofer IOF einen mobilen Sensor entwickelt, der die hochauflösende 3D-Vermessung komplexer Objekte ermöglicht. Um diesen Prozess weiter zu automatisieren, haben sie den Scanner mit einem Roboterhund der Marke Boston Dynamics gekoppelt. So sollen Messungen etwa in der Qualitätssicherung noch effizienter sowie Mitarbeitende entlastet werden. Die Einheit aus Sensorkopf und Roboter wird nun erstmals auf der Control in Stuttgart vom 23. bis 26. April 2024 vorgestellt.

„Bei Fuß“, „Sitz“ oder „Platz“ sind Kommandos, die jedem Hundebesitzer vertraut sind. In Produktionshallen oder industriellen Fertigungsstätten hört man sie dagegen eher weniger. Doch wenn es nach Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF aus Jena geht, könnte man in Zukunft vielleicht auch hier auf einen vierbeinigen Kameraden treffen, der nach strikter menschlicher Anweisung arbeitet und damit seinen zweibeinigen Kolleginnen und Kollegen die alltägliche Arbeit erleichtert. Nur dass der Hund in diesem Fall kein lebendiges Tier ist und die Kommandos sich vordergründig auf Maßnahmen zur hochpräzisen 3D-Dokumentation beziehen.

Automatisierte 3D-Digitalisierung mit Roboterhund Spot

Sei es zur Wartung komplexer Bauteile, wie etwa von Flugzeugtriebwerken, oder bei der Qualitätskontrolle in der Automobilindustrie: Virtuelle 3D-Modelle ermöglichen die präzise Dokumentation großer Maschinen und ihrer kleinen Details. Zu diesem Zweck haben die Forschenden des Fraunhofer IOF bereits im vergangenen Jahr den mobilen Handscanner entwickelt. Er ermöglicht die 2D- und 3D-Digitalisierung komplexer, im Volumen mehrere Kubikmeter umfassende Objekte mit einer besonders hohen räumlichen Auflösung von weniger als 0,25 Millimetern.

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Bisher musste zur Erstellung dieser sogenannten „digitalen Zwillinge“ der Scanner von Menschenhand um das zu vermessende Objekt bewegt werden. Von Anwenderinnen und Anwendern wurden dabei große Präzision in der Ausführung der Messung sowie eine gleichbleibende Geschwindigkeit in der Führung des Sensorkopfes und die weitgehend konstante Einhaltung eines vorgegebenen Messabstandes verlangt. Potenzielle Ermüdungserscheinungen oder Unvollständigkeit der Messdaten waren zum Teil die Folge.

Diesem Problem aus der Praxis haben sich die Forschenden der Abteilung Bildgebung und Sensorik am Fraunhofer IOF angenommen und einen Weg gesucht, um die Messungen für den Menschen künftig komfortabler und zugleich für den betrieblichen Prozess effizienter zu gestalten. Die Lösung: Sie kombinierten den 3D-Scanner mit einem Roboterhund der US-amerikanischen Firma Boston Dynamics, der unter dem Namen Spot bekannt ist.

„Durch die Integration des zuvor in Jena entwickelten Sensorkopfes mit Spot soll der Messprozess des goScout3D-Scanners künftig automatisiert und ohne den ständigen Bedarf nach menschlicher Beaufsichtigung möglich sein“, erklärt Dr. Andreas Breitbarth, Leiter der Gruppe Bildverarbeitung und Künstliche Intelligenz am Fraunhofer IOF. „Der Roboterhund kann den Scanner autonom durch die Messszenerie manövrieren, während Messgeschwindigkeit und -abstand gleich bleiben.“

Roboter macht Messverfahren agiler und flexibler

Im Vergleich zu herkömmlichen Messrobotern, die beispielsweise entlang von Fertigungsstraßen zum Einsatz kommen und dort in der Regel festmontiert sind, hat der autonome Schreitroboter einen entscheidenden Vorteil: Dank seiner Möglichkeit, sich frei im Raum und auf verschiedenen Untergrundarten agil zu bewegen, kann das Messobjekt von allen Seiten sowie auf verschiedenen Ebenen – etwa unterhalb einer Führungsschiene – vollständig erfasst werden. Gleichbleibende Scangeschwindigkeit und weniger Schwankungen in der Handhabung gewährleisten darüber hinaus eine größere Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und verringern durch weniger Redundanzen die Messdauer. Das macht die integrierte Messeinheit besonders interessant für die Anwendung in seriellen Fertigungsprozessen oder der Qualitätskontrolle.

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Autonome Messung ohne menschliche Interaktion

Um diese Anwendungsziele zu erreichen, bedarf es einer verlässlichen Koordination zwischen dem Roboter und dem 3D-Sensor. Hierzu wird mit einer Hand-Auge-Kalibrierung der 3D-Sensor an das Koordinatensystem des Roboters angekoppelt. Sobald der Schreitroboter auf diese Weise einmal mit dem Scanner kalibriert ist, kann er durch menschliche Expertinnen und Experten auf die Messung vordefinierter Objekte hin programmiert werden. „Vor dem eigentlichen Messvorgang werden Geschwindigkeit, genaue Messorte und andere wichtige Parameter von einem menschlichen Anwender an Spot übermittelt, sodass der Roboterhund die Scans anschließend genau wie ein Mensch durchführen kann, ohne dass dieser physisch anwesend sein muss“, erörtert Breitbarth weiter.

So könnte Spot künftig etwa Routinemessungen übernehmen. Die menschlichen Expertinnen und Experten können stattdessen ihren Fokus auf kritische Aspekte der Überprüfung sowie Analyse und Auswertung der mit dem Scanner erstellten 2D- sowie 3D-Daten legen. Weiterhin soll seine Kopplung mit einem agilen Roboter auch Methoden zur Fernsteuerung beziehungswise -überwachung ermöglichen.

Handscanner ermöglicht mobile Vermessung komplexer 3D-Objekte

Den 3D-Handscanner hatten Forschende des Fraunhofer IOF 2023 in Zusammenarbeit mit der MTU Maintenance entwickelt. Zur Erstellung von komplexen 3D-Modellen werden durch den gerade einmal 1,3 Kilogramm schweren Sensorkopf zweidimensionale Farbbilder der gewählten Messszene mit einer 20-Megapixel-Farbkamera aufgenommen. Aus diesen werden mittels Photogrammetrie die 3D-Daten der gesamten Szene berechnet.

Die Einheit aus Scanner und Hund wird erstmals auf der Control 2024 öffentlich vorgestellt. Auf der internationalen Fachmesse für Technologie und Qualitätssicherung wird das Messsystem vom 23. bis 26. April in Stuttgart präsentiert. Der Stand des Fraunhofer IOF befindet sich in Halle 8 an Stand 8201.