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Elektronik-Recycling: Demontage von Elektronikgeräten mit Robotern


Der steten Verkleinerung elektronischer Systeme entspricht eine immer kompaktere Bauweise der Geräte. Das erschwert ihre Demontage nach Gebrauch. Sollen Baugruppen herausgelöst, wiederverwendet oder sachgerecht weiter zerlegt werden, bedarf es deshalb gründlicher Planung, spezieller Werkzeuge und hoher Geschicklichkeit. Automaten sind bislang kaum zu befähigen, wie ein Mensch Telephone, Bügeleisen, Fernseher oder Workstations umsichtig zu zerlegen; ein Mensch läßt sich auch nicht irritieren, wenn etwa zwei Kassettenrecorder gleicher Marke, aber verschiedener Baujahre im Aufbau differieren oder wenn Gebrauch, Alterung, Schäden und Reparaturen die einzelnen Baugruppen unterschiedlich beeinträchtigt haben.

Dieser Mangel an geeigneter Technik ist freilich unbefriedigend. Da Elektronikschrott in großen Mengen anfällt, könnte eine Teilautomatisierung die Kosten des Recyclings senken. Außerdem wäre das Gesundheitsrisiko für den Facharbeiter vermindert, wenn Gefahrstoffe beim Zerlegen freigesetzt werden.

Vorsorglich sollten dazu in den Geräten Informationen etwa über ihren Aufbau und die enthaltenen Materialien gespeichert sowie die Produkte von vornherein demontagegerecht gestaltet sein. Beides wird zwar angestrebt, dürfte aber kaum innerhalb der nächsten 15 bis 20 Jahre weltweit durchzusetzen sein.

Deshalb versuchen Wissenschaftler, die menschliche Wahrnehmungsfähigkeit und Geschicklichkeit, soweit für diesen Zweck erforderlich, zumindest teilweise mit Robotern nachzuahmen. An der Aufgabe, das optische Modul aus

einer Videokamera zu entnehmen, untersuchten wir beispielhaft, welche Demontageschritte mit welchem Aufwand automatisierbar sind. Zu klären wäre auch,

- welche Hard- und Software dazu verfügbar sein muß,

- wie Produkte demontagegerecht zu gestalten sind,

- welche produktbegleitenden Informationen für eine automatisierte Demontage nötig und welche zumindest hilfreich sind sowie

- was zweckmäßigerweise nicht automatisiert werden, also dem Arbeiter überlassen bleiben sollte.

Industrieroboter haben wir mit Kraft- und Drehmomentsensoren, Greifern und wechselbaren Werkzeugen ausgestattet; ein Greifer hat zwei oder mehr Finger, zudem Anwesenheits-, Rutsch- und Tastsensoren. Mittels einer Grauwert- oder Farbbildkamera läßt sich die Szene

mit dem zu demontierenden Objekt analysieren. Ein Distanzsensor liefert durch Triangulation auch Tiefeninformation über schlecht ausgeleuchtete Bereiche (Bild 3).

Die Signale der Meßfühler werden von einem Rechner sortiert und verarbeitet, um Bewegungssequenzen der Roboterarme und Greifwerkzeuge zu planen. Dabei greift er auch auf Vorwissen zurück, etwa darüber, wie die Maschine Positionen kollisionsfrei anfahren kann oder wie durch Rütteln verklemmte Bauteile zu lösen sind.


Greifplanung

Eine wichtige Voraussetzung ist, daß das Demontagesystem einen stabilen Griff planen und anwenden kann, weil mitunter beachtliche Kräfte und Momente auftreten. Des weiteren ist die Schwierigkeit zu meistern, daß viele Objekte kaum zugänglich sind. So wird das Objektivmodul eines Camcorders durch andere Komponenten und Gehäuseteile verdeckt (Bild 1); zudem gibt es in solchen Kompaktgeräten nur sehr wenig Raum, um die Greiferfinger zu plazieren.

Zur Erkennung und Lokalisierung des Objekts werden die Videobilder nach Helligkeit, Farbe und Oberflächentexturen gegliedert, also in Segmente mit weitgehend gleichen Werten dieser Variablen unterteilt (Spektrum der Wissenschaft, "Medizinische Bildverarbeitung", Juni 1997, Seite 102). Dann kann der Distanzsensor die interessierenden, vergleichsweise kleinen Bereiche exakt vermessen. Unabhängig von Kontrast und Beleuchtung erhält man so ein räumliches Bild, aus dem sich der Bewegungsspielraum des Greifers beziehungsweise der optimale Greifablauf ermitteln läßt. Mittels Bildverarbeitung werden überdies Merkmale ermittelt, an denen sich der Roboter während der Bewegungsabfolge orientieren kann, etwa um einen Zweibackengreifer an gegenüberliegenden parallelen Kanten auszurichten.


Die Regelung

Nach der Planung des eigentlichen Greifens müssen auch alle Strategien

bedacht werden, wie die Bewegungen der Maschine zu kontrollieren sind. Weil der jeweilige Zustand eines zu demontierenden Geräts unbekannt ist, darf man sich nicht allein auf Konstruktionsdaten verlassen. Wie der Mensch grobe Bewegungsansätze durch feine Korrekturen den Gegebenheiten anpaßt, muß ein Robotersystem Meldungen der internen und externen Sensorik in einem Regelkreis nutzen, um auf Abweichungen von solchen Basisinformationen zu reagieren.

Die Regelungsstruktur beinhaltet eine Strategieebene für globale Bewegungen (Grobplanung), die im voraus festgelegt werden, und einen Kennfeldregler für lokal begrenztes Ausweichen (Feinplanung), das auf aktuellen Sensordaten von Kräften und Momenten

beruht. Damit ist es sogar möglich, ein verklemmtes oder verkantetes Objekt frei zu bekommen und Hindernisse wie Gehäusehinterschneidungen zu über-winden (Bild 2).

Oftmals ist beim Demontieren die

ursprünglich geplante Sollrichtung versperrt, so daß verbleibende Bewegungsmöglichkeiten systematisch erprobt werden müssen. Solche Suchbewegungen initiiert die Instanz "Situationsentscheidung" auf der Strategieebene. Damit sie möglichst sinnvolle Vorgaben macht,

gehen dabei außer aktuellen auch frühere Sensordaten ein. Die Instanz "globale Strategie" entscheidet dann, ob ein Vorschlag für eine neue Bewegung übernommen oder der ursprünglichen Sollrichtung lediglich überlagert wird.

Aus globalen Vorgaben sowie etwa bei Kollisionen auftretenden Kräften und Momenten bestimmt der Kennfeldreg-

ler die Sollgeschwindigkeiten für Ausweichbewegungen. Er nutzt dazu Fuzzy Logic (Spektrum der Wissenschaft, März 1993, Seite 90), also in einer gewissen Bandbreite unscharf formulierte, Erfahrungswissen integrierende Wenn-dann-Regeln wie

- wenn (Kraft/Moment etwa null ist), dann (bewege Objekt in Demontagerichtung),

- wenn (Kraft/Moment negativ ist), dann (weiche in negative Richtung aus),

- wenn (Kraft/Moment positiv ist), dann (weiche in positive Richtung aus).

Indem man Ein- und Ausgangs-größen wie die gemessenen Kräfte und Momente sowie die Geschwindigkeiten normiert, läßt sich der Demontagero-boter auf unterschiedliche Situationen einstellen, ohne daß das prinzipielle Verhalten des Reglers geändert werden müßte. Ob etwa das Objekt besonders empfindlich ist oder gewaltsam aus seiner Verankerung entfernt werden kann – es genügt die entsprechende Wahl der Normierungsfaktoren.

An unserem repräsentativen Beispiel wurde das System bereits erfolgreich getestet: Das Objektivmodul mußte nach oben aus dem Camcorder entnommen und dabei eine Gehäusehinterschneidung bewältigt werden. Dem System gaben wir die grobe Demontagebewegung vor, die Lösung des Problems – eine Objektrotation – fand es selbst (Bild 2). Der lokale Kennfeldregler reichte bei dieser Aufgabe bereits aus; bei komplexeren Aufgaben, wie Sackgassen sie stellen, benötigt man zusätzlich die Instanz der globalen Strategie, um die vorgegebene globale Bewegung zu modifizieren. Das System wurde mittlerweile auch bei verschiedenen anderen Demontagen, so der von Personal Computern, ohne Änderungen der Strategie erfolgreich eingesetzt.



Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1998, Seite 109
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1998

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1998

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