Grundlagen der kollaborativen Robotik

Cobot: Symbiose von Mensch und Roboter

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Der Begriff Cobot stammt aus der Verbindung der englischen Worte „Collaboration“ und „Robot“ und beschreibt Roboter, die für die direkte Interaktion mit dem Menschen konzipiert wurden. Teilen sich Mensch und Roboter einen Arbeitsraum ohne trennende Schutzeinrichtung, wird das auch als Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) bezeichnet.

Die kollaborative Robotik soll der Fabrikautomation (bei Fertigungsprozessen wie Montage, Verpackung und Palettierung) neue Möglichkeiten eröffnen. Idealerweise sollen sich in solchen kollaborativen Roboteranwendungen die Vorteile des Menschen (Flexibilität, Urteilsvermögen, Kreativität, Erfahrung, Intuition und Überblick) und die Vorteile des Roboters (Ausdauer, Präzision und Stärke) verbinden lassen. Zum Einsatz kommt bei der kollaborativen Robotik oft ein speziell entwickelter Cobot (Leichtbauroboter). Alternativ besteht die Möglichkeit, für die MRK speziell abgesicherte Industrieroboter einzusetzen.

Wofür das K in MRK steht: Koexistenz, Kooperation, Kollaboration

Wie eng Mensch und Cobot beim schutzzaunlosen Roboterbetrieb tatsächlich zusammenarbeiten, hängt jedoch von der Anwendung ab. Das K in MRK kann daher verschiedene Bedeutungen haben: Koexistenz, Kooperation, Kollaboration.

1. Koexistenz: Mensch und schutzzaunloser Roboter arbeiten in benachbarten Bereichen, haben aber keinen gemeinsamen Arbeitsraum. Ein Beispiel ist eine Einlegestation mit Drehtisch an einer Roboterzelle.

2. Kooperation: Hier teilen sich Mensch und Maschine einen Arbeitsraum, arbeiten darin aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Ein Beispiel ist eine Übergabestation für einen Montageroboter, in der zuerst der Mensch ein Teil einlegt und der Roboter dieses danach dort abholt.

3. Kollaboration: Kollaboration beschreibt die engste Form der Zusammenarbeit. Mensch und Cobot haben hier einen gemeinsamen Arbeitsraum und arbeiten gleichzeitig am selben Bauteil. Ein Beispiel ist eine Montagestation, wo Mensch und Roboter unterschiedliche Aufgaben am gleichen Bauteil erledigen.

Koexistenz: Mensch und Maschine halten sich zeitgleich in benachbarten Bereichen auf. Typisches Beispiel ist eine Einlegestation mit Drehtisch an einer Roboterzelle.
Koexistenz. Bild: Sick
Kooperation: Mensch und Maschine teilen sich einen gemeinsamen Arbeitsraum, arbeiten darin aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Eine solche Arbeitssituation ist beispielsweise in einer Übergabestation für einen Montageroboter gegeben.
Kooperation. Bild: Sick
Kollaboration: Bei der Kollaboration teilen sich Mensch und Roboter zum gleichen Zeitpunkt denselben Arbeitsraum.
Kollaboration. Bild: Sick

 

 

 

 

 

 

Wie wird die kollaborative Arbeit mit Cobots abgesichert?

Anwendungen wie Koexistenz oder Kooperation sind bereits vor dem allgemeinen MRK-Hype in der Robotik durchaus gängig gewesen. Sie werden üblicherweise mit Detektionslösungen wie Lichtschranken oder Trittmatten abgesichert. Ergänzend dazu kommen oft entsprechende Sicherheitsfunktionen der Robotersteuerungen zum Einsatz (Fanuc DCS, ABB Safemove), die verhindern, dass der Roboter in verbotene Zonen vorstößt. Da Mensch und Roboter hier weitgehend getrennt agieren, können bei Koexistenz oder Kooperation auch herkömmliche Industrieroboter eingesetzt werden.

In kollaborativen Szenarien reichen klassischen Detektionslösungen allerdings nicht mehr aus – es müssen Kräfte, Geschwindigkeiten und Verfahrwege der kollaborativen Roboter überwacht, beschränkt und die Cobots bei Bedarf gestoppt werden. Um Berührungen zwischen Mensch und Maschine komplett zu vermeiden, werden zum Beispiel Laserscanner, Vision-Systeme oder auch Verfahren wie Ultraschall und sogar Radar eingesetzt. Zudem gibt es Ansätze wie mit kapazitiven Sensoren bestückte Schutzummantelungen, die bereits die (nahe) Annäherung von Menschen bemerken.

Wenn Berührungen nicht völlig vermieden werden sollen oder können, muss man zumindest versuchen die Kräfte und Drücke zu begrenzen, mit denen der Roboter auf den Menschen wirkt. Ein verbreitetes Mittel sind hier Kraft-Momenten-Sensoren in den Gelenken der Cobots, die bei Überschreitung der Kraft- und Druckwerte den kollaborativen Roboter stoppen. Zudem kommen spezielle Schutzhüllen zum Einsatz, die mit Sensorik auf Berührung und Druck reagieren.

Wie regelt die ISO TS 15066 den Cobot-Einsatz?

Eine wichtige Norm in diesem Zusammenhang ist die Norm ISO TS 15066, die den Robotereinsatz im Kollaborationsbetrieb regelt. Die ISO TS 15066 ergänzt die allgemeine Norm EN ISO 10218 und unterscheidet vier Arten des kollaborierenden Betriebs:

1. Sicherheitsgerichteter überwachter Halt: Der kollaborierende Roboter hält an, wenn der Mitarbeiter den gemeinsamen Arbeitsraum betritt und fährt weiter, wenn der Mitarbeiter den gemeinsamen Arbeitsraum wieder verlassen hat.

2. Handführung: Die Roboterbewegung wird vom Mitarbeiter aktiv mit geeigneter Sensorik gesteuert, meist unterstützt durch eine Zustimmungseinrichtung wie einen Dreipunktschalter.

3. Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung: Ein Kontakt zwischen Mitarbeiter und in Bewegung befindlichem Cobot wird von der Maschine verhindert. Dazu wird der Abstand von Mensch und Roboter konstant überwacht, etwa mit Laserscannern oder mit Kamerasystemen. Wird die vorgeschriebene Distanz unterschritten, reduziert sich die Geschwindigkeit des Cobots bis zum Sicherheitshalt.

4. Leistungs- und Kraftbegrenzung: Kontaktkräfte zwischen Mitarbeiter und Cobot werden technisch auf ein ungefährliches Maß begrenzt. Die ISO/TS 15066 legt die Schmerzschwellen für verschiedene Körperregionen fest: Im Anhang A der ISO/TS 15066 wird ein Körpermodell aufgeführt und dort zu jedem Körperteil (z.B. Kopf, Hand, Arm oder Bein) maximale Werte für Kraft und Druck festgelegt. Die Körperregion mit den niedrigsten zulässigen Kollisionswerten ist das Gesicht.

Cobot: Zusammenarbeit bei der Mensch-Roboter-Kollaboration
Die ISO TS 15066 unterscheidet vier Arten des kollaborierenden Betriebs. Bild: ISO TS 15066 / Martin J. Rosenstrauch, TU Berlin

Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration ist übrigens stets eine individuelle Risikobeurteilung der MRK-Applikation erforderlich – auch dann wenn der eingesetzte Cobot speziell für die Kollaboration mit dem Menschen entwickelt wurde.

Überblick: Welche Cobots sind gängig?

Speziell für die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) oder kollaborative Robotik haben einige Hersteller besondere Cobot-Modelle entwickelt, die oft mit Leichtbau- oder Leichtbauarm beschrieben werden. Inzwischen gibt es eine ganze Reihe solcher Modelle auf dem Markt.

Der LBR iiwa von Kuka hat sieben Bewegungsachsen und trägt 7 oder 14 kg.

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Bild: Kuka

2004 Kuka: Vom LBR über den LBR iiwa zum LBR iisy

Sehr früh in das Thema Cobot eingestiegen ist Kuka. Zunächst auf Basis des vom DLR entwickelten Leichtbauroboters LBR, den Kuka 2004 lizenziert hat. 2013 hat das Unternehmen den LBR im eigenen Haus einem kompletten Re-Design unterzogen und den siebenachsigen LBR iiwa entwickelt. 2018 haben die Augsburger mit dem LBR iisy einen kleinen Bruder für den LBR iiwa vorgestellt. Im Gegensatz zum großen Bruder mit 7 und 14 kg Traglast besitzt der LBR iisy nur 3 kg Traglast und zielt damit besonders auf kollaborative Einsatzszenarien in der Elektronikindustrie. Auch wurde der Preis deutlich reduziert. Beide Cobots besitzen Drehmomentsensoren in allen Gelenken, die für Sicherheit und Sensibilität sorgen.

2005 Universal Robots: Vom UR5 bis zum Ökosystem Universal Robots+

Universal Robots wurde 2005 an der Universität in Odense gegründet. Ziel war es von Anfang an, die Robotik für Klein- und Mittelbetriebe zugänglich zu machen. 2008 hat Universal Robots seinen ersten Roboter verkauft: Der UR5, ein sechsachsiger Roboterarm, der 18 kg wiegt und eine Traglast von bis zu 5 kg hat. 2012 folgte der UR10 für größere Aufgaben mit 10 kg Traglast. 2015 führte Universal Robots den UR3 als leichten Tischroboter ein. Der UR3-Roboter zielt mit 3 kg Nutzlast auf leichte Montageaufgaben und automatisierte Werkbankszenarien. 2018 hat Universal Robots seine UR-Reihe mit der E-Series einer Überarbeitung unterzogen. Zudem treibt das Unternehmen mit Universal Robots+ ein Ökosystem rund um die kollaborative Robotik voran, in dem sich Entwickler und Partnerfirmen einbringen können.

2011 ABB: Yumi als Doppel- und Einarm

ABB hat die kollaborative Robotik im Rahmen eines Forschungsprojekts vorangetrieben. Der Konzept-Cobot Frida wurde erstmals auf der Hannover Messe 2011 präsentiert. 2015 wurde das Ganze unter der Bezeichnung Yumi als kollaborativer Dualarm-Roboter auf den Markt gebracht. Yumi steht für „you and me – wir arbeiten zusammen“. Yumi ist als zweiarmiger Cobot konzipiert für den Einsatz in der Kleinteilmontage. 2018 wurde der Doppelarm-Yumi um ein Single-Arm-Yumi-Modell mit sieben Achsen ergänzt, das die gleiche intuitive Lead-Through-Programmierung wie die zweiarmige Variante bietet und ebenfalls sicher neben dem Menschen arbeiten kann.

2012 Rethink: Sawyer lebt weiter

In den USA hat der MIT-Professor Rodney Brooks, der auch den Staubsauger-Roboterhersteller iRobot ins Leben gerufen hat, im Jahr 2008 Rethink Robotics gegründet, um kostengünstige kollaborative Roboter zu entwickeln. 2012 brachte Rethink Robotics mit dem Roboter Baxter den ersten Cobot auf den Markt. 2015 folgte das kleinere und flexiblere Pendant Sawyer. Im Oktober 2018 musste Rethink seine Geschäfte einstellen. Der deutsche Automatisierungsspezialist Hahn Group hat in der Folge alle Patente und Marken von Rethink sowie die Intera 5-Softwareplattform von Rethink erworben um Sawyer weiter zu führen.

2015 Kawasaki: Zweiarmiger Scara Duaro

Kawasaki hat mit dem Duaro (eine Wortkombination aus Dual und Robot) einen MRK-tauglichen Dualarm-Scara-Roboter vorgestellt: Der Duaro zielt vor allem auf Elektronik-Montage-Linien, wo er Seite an Seite mit dem Menschen arbeiten soll. Eine integrierte Kollisionserkennung und reduzierte Geschwindigkeiten sorgen für die nötige Sicherheit. Durch ihre 2-Arm-Struktur können die Duaro-Cobots voneinander unabhängige 2-Arm-Tätigkeiten übernehmen, die bislang in dieser komplexen Weise nur von Menschen durchgeführt werden konnten. An das Gehäuse angebrachte Rollen ermöglichen, den Cobot schnell und unkompliziert an einen anderen Einsatzort zu bewegen. Mittels Tablets und App können diese Roboter einfach bedient und intuitiv programmiert werden.

2016 Yaskawa: Cobot HC10 kann auch schnell

Yaskawa hat seine MRK-Roboter HC10 – HC steht für Human Collaborative – speziell für den kollaborierenden Betrieb entwickelt. Der HC10-Cobot hat Kraft- und Momentensensoren für jede Achse bzw. jedes Gelenk und erkennt so Kollisionen. Zudem ist HC10 mit einer schützenden Gummischicht ummantelt. Allerdings gibt es auch Gemeinsamkeiten mit den Motoman-Industrierobotern. So nutzt der HC10 die gleiche Steuerung wie die Industrieroboter. Ist kein Mensch in der Nähe arbeitet der HC10 mit der gewohnten Industrieroboter-Geschwindigkeit.

2016 Franka Emika: Leichtbauroboter Panda

2016 sorgte der Robotik-Forscher Prof. Dr.-Ing. Sami Haddadin auf der Hannover Messe mit seinem Leichtbauroboter Franka für Furore. Franka zeichnet sich durch einfache Bedienung, Feinfühligkeit und einen günstigen Preis aus. Für den Cobot wurden das Team um Prof. Dr.-Ing. Sami Haddadin 2017 vom Bundespräsidenten Frank-Walter Steinmeier mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet. Um den nun auf den Namen Panda umgetauften Leichtbauroboter in den Markt zu tragen, haben die Münchner Cobot-Spezialisten von Franka Emika mit dem Maschinenbaukonzern Voith eine strategische Partnerschaft geschlossen und das Gemeinschaftsunternehmen Voith Robotics gegründet.

2016 Denso: Cobotta zielt auch auf Bildung

Seinen Leichtbauroboter Cobotta hat der Kleinrobotik-Spezialist Denso als Prototyp erstmals auf der Automatica 2016 gezeigt. Mit seinem Eigengewicht von nur 4 kg und einer in den Roboterarm integrierten Steuerung ist Cobotta einfach zu transportieren und sofort einsatzbereit. Dazu ist er einfach zu bedienen, denn Cobotta bietet eine grafisch gestaltete App. Der integrierte elektrische Greifer und die Kamera ergänzen die intuitiv-einfache Erstellung unterschiedlicher Applikationen im industriellen Umfeld sowie im Bildungsbereich.

2017 Nachi: CZ-Reihe lässt sich teachen

2017 hat Nachi mit der CZ-Reihe seine ersten kollaborierenden Roboter auf den Markt gebracht. Der CZ-Cobot lässt sich einfach per Handführung teachen. Weitere Vorteil der CZ-Cobots sind ihre sensitiven, rundum glatten Außenflächen, die auf Druck und Berührung reagieren. Dabei heben die Cobots CZ5 und CZ10 Lasten bis 5 sowie 10 kg bei 1300 mm Reichweite.

2018 Omron: TM-Roboter mit intelligentem Bildverarbeitungssystem

Omron adressiert die kollaborative Robotik über eine strategische Partnerschaft mit der taiwanesischen Techman Robot. Im Zuge dieser Kooperation vermarktet Omron die TM-Serie von Techman. Zusätzlich zu den Standardausführungen der kollaborativen Roboter der TM-Serie wird Omron auch neue Modelle anbieten, die sich leicht in die mobilen LD-Roboter von Omron integrieren lassen. Die TM-Roboter verfügen über ein integriertes intelligentes Bildverarbeitungssystem. Die sechsachsigen Cobots sind in zwei Serien erhältlich: TM5 mit einer Nutzlast von bis zu 6 kg und TM12/TM14 mit einer Nutzlast von bis zu 14 kg.

2018 Kassow: UR-Mitgründer steigt ein

Mit Cobots mit sieben Achsen und Gelenkgeschwindigkeiten von bis zu 225 °/Sekunde ist 2018 auch der einstige Universal-Robots-Mitgründer Kristian Kassow mit Kassow Robots in den Cobot-Markt eingestiegen. Premiere hatte Kassow Robots auf der automatica 2018. Als erste Produkte bringt das Unternehmen die Cobots KR 810 (mit 850mm Reichweite/ 10kg Traglast), KR 1205 (1200mm/5kg) sowie KR 1805 (1800mm/5kg) auf den Markt.

2018 Doosan: Vier Modelle mit Sensoren in sechs Achsen

Auf der automatica 2018 feierten ebenfalls die Cobots des südkoreanischen Mischkonzerns Doosan Europapremiere. Die Cobots mit Drehmomentsensoren in allen sechs Achsen gibt es in vier verschiedenen Modellen, die maximal 1,7 m Reichweite und eine Nutzlast von 15 kg bieten. Der Deutschlandvertrieb läuft über GLM Werkzeugmaschinen.

Wie werden Standard-Industrieroboter zu Cobots?

Da man kollaborative Robotik-Anwendungen nicht nur mit einer Leistungs- und Kraftbegrenzung, sondern eben auch mit Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung umsetzen kann, entwickeln einige Roboterhersteller keine speziellen Cobot-Modelle, sondern machen ihre Industrieroboter mit Sensorik oder einer Safety-Schutzhaut fit für die MRK. Vorteil: Die MRK-befähigten Industrieroboter unterliegen im Vergleich zu reinen Cobot-Assistenzrobotern keinen Einschränkungen hinsichtlich Traglast, Geschwindigkeit, Reichweite und Präzision.

Stäubli: Vom Safetyboard bis zur Safetyskin

Die Safe-Robots der TX2-Robotergeneration von Stäubli beherrschen alle Stufen der Mensch-Roboter-Kooperation. Basis der Sicherheit ist die Robotersteuerung. Ein integriertes Safetyboard überwacht sämtliche Bewegungen des Roboters. Dabei verfügt jede Roboterachse über einen eigenen Sicherheitsencoder. Speziell für die anspruchsvollste Stufe, die Mensch-Roboter-Kollaboration, hat Stäubli zudem die TX2-Touch-Baureihe entwickelt, bei der Mensch und Maschine unmittelbar in Kontakt treten können. Merkmal der TX2-Touch-Modelle ist deren Safety-Skin, eine berührungsempfindliche Schutzhaut. Bei einem Kontakt stoppt der Roboter sofort.

Bosch: Ummantelte Standard-Roboter

Der automatische Produktionsassistent Apas von Bosch nutzt unter seiner Schutzhaut Standard-Industrieroboter von Fanuc oder Kuka. Diese sind mit einer Schutzhaut mit kapazitiven Sensoren ummantelt. Die Sensorik erkennt, ob sich ein Mensch nähert und stoppt den Roboter bevor es zu einer Berührung kommt.

Fanuc: Sensor im Sockel verbaut

Fanuc nutzt bei seinen CR-Modellen (Collaborative Robot) seine Standindustrieroboter. Statt Sensoren in jedem Gelenk ist nur einen einzigen Kraft-Momenten-Sensor im Sockel der Roboter untergebracht. Fanuc hat seine CR-Cobots mit einer weichen grünen Oberfläche umgeben. Diese besitzt allerdings keine Sensoren, sondern dient vor allem als passive, stoßabfedernde Ergänzung des Sensors im Sockel. Die CR Serie besteht aus mehreren Modellen, das stärkste Modell CR35 trägt stolze 35 kg.

Comau: Sichere Aura für Industrieroboter

Comau hat als MRK-Erweiterung für die hauseigenen Standard-Industrieroboter ebenfalls eine spezielle Schutzhülle entwickelt, die man Aura (Advanced Use Robotic Arm) nennt. Die Schaumstoff-Außenhülle ist mit Näherungs- und Berührungssensoren bestückt und bemerkt so die Nähe und den Kontakt mit einer Person. Für weitere Sicherheit sorgen Laserscanner sowie ein Vision-System zur Arbeitsraum-Überwachung. Hinzu kommen Kraftsensoren an den Handgelenken.

Blue Danube: Airskin für leichte Cobots und große Industrieroboter

Die Airskin des Wiener Unternehmens Blue Danube besteht aus einem Schaumstoff, in dem Sensoren platziert sind. Die Sensorik im Inneren misst auch kleine Druckveränderungen, bemerkt so Berührungen und leitet diese Information an die Steuerung des Roboters weiter, damit dieser stoppt. Diese Restbewegung federn die Airskin-Pads ab. Mit der Airskin zielt Blue Danube nicht nur auf kleine leichte Cobots, sondern auch auf den Einsatz an größeren Robotern. Sie wird unter anderem bei Stäublis TX2 Touch eingesetzt

MRK-Systeme: Schutzhülle mit kapazitiven und taktilen Sensoren

Auf Schutzhaut ummantelte Standardroboter setzt seit vielen Jahren auch der Augsburger Kuka-Partner MRK Systeme. Der KR 5 SI (Safe Interaction) basiert auf einem Standard Kuka Roboter und stellt damit alle Standardfunktionen der Kuka-Robotersteuerung zur Verfügung. Er ist von einer dämpfenden Schutzhülle mit kapazitiven und taktilen Sensoren umgeben. Eine Annäherung des Menschen führt zu einer Geschwindigkeitsreduzierung, bei direktem Kontakt wird der Roboter durch sicherheitsgerichtete, taktile Schaltelemente gestoppt

Erfahren Sie auf unserer Themenseite alles Wissenswerte rund um das Thema Cobot und kollaborative Robotik.

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