MRK: Gar nicht so einfach, wie anfangs gedacht

Mensch-Roboter-Kollaboration: Herausforderungen bei der Umsetzung werden erkennbar

MRK: Gar nicht so einfach, wie anfangs gedacht

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Groß war der MRK-Hype: Die unmittelbare Zusammenarbeit von Menschen und Robotern beflügelte die Phantasien von Anbietern und Anwendern. Doch der Siegeszug der kollaborativen Robotik ist ins Stocken geraten. Nun ist die Euphorie der nüchternen Auseinandersetzung gewichen.

Autor: Klaus Wagner

Das Konzept der schutzzaunlosen Kollaboration zwischen Mensch und Roboter (MRK) soll es ermöglichen, dass beide in unmittelbarer Nähe und sogar gemeinsam miteinander an einem Objekt arbeiten. Kollisionen von Mensch und Maschine sind dabei erlaubt, wenn der Werker nicht durch unzulässig hohe Kräfte verletzt werden kann.

Doch eine „echte“ Kollaboration ist in der Praxis eher selten zu finden. Eine Studie des Fraunhofer IAO, die erste MRK-Praxisfälle untersucht hat, zählt lediglich 8 Prozent echte kollaborative Anwendungen, der Rest verteilt sich auf Koexistenz und Kooperation (siehe Kasten).

„Die häufigste Art der Zusammenarbeit bezieht sich darauf, dass Mensch und Roboter eigene Arbeitsbereiche haben und sich nur gelegentlich einen Bereich teilen, etwa zur Übergabe eines zu bearbeitenden Produkts“, bestätigt Dirk Thamm, Geschäftsführer bei der Kuka-Tochter Faude Automatisierungstechnik, einem Systemintegrator für MRK. Bisher hat der Hype bei ihm noch nicht für volle Auftragsbücher geführt, jedoch für viele Anfragen nach den Möglichkeiten der MRK. „Die Investitionsbereitschaft ist vorhanden“, stellt er fest, „allerdings fehlt es häufig noch an dem entsprechenden Fachwissen.“

Die Industrie erwartet sich von der MRK effektivere Produktionsbedingungen. „Wenn es aber nicht gelingt, mit der MRK in die Herstellung großer Produktserien einzusteigen, wird es für die Unternehmen schwierig, ihre Ziele zu erreichen“, sagt Matthias Fritz, Geschäftsführer Technik bei Fanuc Deutschland. Möglichkeiten für Serienanwendungen müssten erst noch gefunden werden.

Tiefgreifendes Umdenken nötig

Fritz sieht diese vor allem in der Montage. Dafür sei aber ein tiefgreifendes Umdenken in der Konstruktion von Montageanlagen notwendig. Anstatt langkettige Anlagen zu planen, müsse man sich individuellen Zellenkonzepten zuwenden. Er ist aber optimistisch, dass sich das Investment in MRK lohnt – wenn es gelingt, die erforderlichen Konzepte zu entwickeln.

Für die Werker lohnt sich die Technik bereits auf dem jetzigen Stand, wenn sie von monotonen und unergonomischen Arbeiten befreit werden. Etwas unklarer ist die Situation jedoch in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit. Denn wie sich der Einsatz von MRK finanziell rechnet, lässt sich bisher meist nicht durch harte numerische Aussagen belegen, sondern nur abschätzen.

Zumal die Wirtschaftlichkeit sehr von nicht-monetär fassbaren Faktoren wie Mitarbeiterzufriedenheit und der Ergonomie der Arbeitsplätze beeinflusst wird. Größere Konzerne versuchen daher, die nicht-monetären Faktoren zu bewerten, indem sie den von einem Arbeitsplatz ausgehenden ergonomischen Belastungen die Kosten durch einen möglichen Arbeitsausfall eines Werkers gegenüberstellen.

Erstmal Erfahrung sammeln

Bei vielen Pilotprojekten steht die Wirtschaftlichkeit aber zunächst gar nicht so sehr im Vordergrund: „Viele Unternehmen, gerade des Mittelstandes, wollen in der Einführungsphase der MRK erst Erfahrungen mit der neuen Technik sammeln, bevor sie strengere Maßstäbe an diese Abschätzungen anlegen“, sagt Thomas Dietz, Leiter der Forschungsfabrik am Fraunhofer IPA in Stuttgart. Belegt wird dies auch durch die Fraunhofer-IAO-Studie „Leichtbauroboter in der manuellen Montage – einfach einfach anfangen. Erste Erfahrungen von Anwenderunternehmen.“

Dennoch: Irgenwann müssen sich MRK-Anwendungen auch rechnen. „Oft führen wir wirtschaftliche Bewertungen an Hand von Berechnungen der Amortisationszeiten durch“, sagt Thamm. Seine Kunden erwarten Amortisationszeiten von 18 bis 36 Monaten. Nach seiner Erfahrungen ist das realistisch. Allerdings haben einige Systemintegratoren für die Installation von MRK-Anwendungen bisher zu günstige Angebote vorgelegt. Bei der Realisierung waren die Projekte dann doch teurer als gedacht. Das führte dann zu Auseinandersetzungen mit dem Auftraggeber.

Einige Unternehmen haben sich wohl auch vom MRK-Hype beeinflussen lassen. In der Folge entstanden mancherorts Projekte, die technisch nicht sinnvoll sind. „Es stellt sich die Frage, warum nicht überlegter geplant wurde“, sagt Fritz. Gemutmaßt wird, dass die Videos auf diversen Internetkanälen, in denen beeindruckende MRK-Applikationen mit Leichtbaurobotern gezeigt werden, zu verführerisch seien.

„Aus diesen Darstellungen ist leider nicht klar ersichtlich, wie aufwendig das Einrichten eines MRK-Arbeitsplatzes ist“, sagt Matthias Vette, Oberingenieur beim staatlichen Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik ZeMA in Saarbrücken. Ein Leichtbauroboter alleine macht eben noch lange keine Applikation. Dafür braucht man neben dem zertifizierten Roboterarm einen für die Kollaboration tauglichen und ebenfalls zertifizierten Greifer für das Werkstück und Software für den sicheren Betrieb. „Solche Greifer sind vielfach noch nicht vorhanden und werden erst jetzt entwickelt“, erläutert Torsten Woyke, Geschäftsführer das MRK-Pioniers WMV Robotics.

Auch der Griff in die Kiste, bei der sich ein Roboterarm aus einer ungeordneten Ansammlung von Zwischenprodukten eines zum weiteren Verarbeiten herausgreift, ist zwar für spezielle Fälle realisiert, aber noch keineswegs Standard. Daher sind für MRK gegebenenfalls auch Einrichtungen für das Bereitstellen von Arbeitsmaterial erforderlich.

Aufwand unterschätzt

Unterschätzt wird vielerorts der Aufwand für die Risikobewertung und die Dokumentation zur Zertifizierung der Anlage. Im Rahmen der Risikobewertung sind realistische Szenarien zu untersuchen, in denen Gefahren für die Werker auftreten könnten. Gegebenenfalls sind zusätzliche Sensoren für die Betriebssicherheit zu installieren.

Durch Druckmessungen ist zu verifizieren, dass durch Kontakt des Werkers mit dem Roboter, dessen Werkzeug oder dem Werkstück keine Gefahren durch unzulässig hohe Belastungen für gefährdete Körperregionen bestehen. „In Folge dieser Maßnahmen können die Kosten für eine Applikation auf das Drei- bis Fünffache des Preises für einen Roboterarm ansteigen“, sagt Bender.

So mancher spart sich daher den ganzen Zertifizierungsaufwand. Wie aus der IAO-Studie hervorgeht, sind fünf der 25 untersuchten MRK-Applikationen nicht zertifiziert. Laut Insiderkreisen sind in manchen Unternehmen sogar Anlagen in Betrieb, die sicherheitstechnisch sehr bedenklich sind. Die Risiken tragen die Unternehmen und letztlich die Werker.

Manchmal ist eine Zelle besser

Daher stellt sich die Frage, ob es wirklich immer eine MRK-Applikation sein muss. Bevor die Ingenieure des ZeMA eine MRK einrichten, überlegen sie daher gemeinsam mit dem Auftraggeber, ob eine herkömmliche Automatisierung mit Schutzzaun und abgesicherter Übergabestation nicht sinnvoller ist. Hier kann der Roboter mit voller Geschwindigkeit agieren und bremst nur ab, wenn der Werker in den Gefahrenbereich des Roboters gelangt.

In einigen Unternehmen wird dagegen so verfahren, dass Standardroboter gegen MRK-fähige Roboter ausgetauscht werden. Das geht dann allerdings meistens auf Kosten der Taktzeiten. Die sicherheitsbedingte Beschränkung der Geschwindigkeit auf 250 Millimeter pro Sekunde wird daher definitiv als technisch begrenzender Faktor für den MRK-Betrieb erlebt. Machbar wäre es, die Geschwindigkeit auf 750 Millimeter je Sekunde zu erhöhen – aber dann würden eventuell die zulässigen Kräfte auf gefährdete Körperregionen überschritten.

Technischen Handlungsbedarf sieht Fanuc-Experte Fritz außerdem bei den taktilen Fähigkeiten des Roboters oder wenn es darum geht, auf Toleranzen der Lage oder Abmessungen von Bauteilen zu reagieren. Hier wird künstliche Intelligenz (KI) künftig eine große Rolle spielen.

Neue Konzepte notwendig

Zudem muss die Programmierung der kollaborativen Roboter noch einfacher werden. So erwarten die Ingenieure der ZeMA, dass bald keine Experten mehr notwendig sind, um einen MRK-Roboter zu programmieren. Über grafische Bedienoberflächen müsse ein Werker diese Arbeit ausführen können, ohne eine Zeile Programm-Code schreiben zu müssen. „Gerade für kleine und mittelgroße Unternehmen ist das wichtig, weil die Robotersteuerung sehr komplex ist, insbesondere wenn sichere Geschwindigkeiten und sichere Arbeitsräume einzuhalten sind“, sagt Vette.

Neben technischen Innovationen an den Robotern ist vor allem eine sinnvolle Planung wichtig. Nach Einschätzung der Experten findet man geeignete MRK-Anwendungen nicht dadurch, dass man nur einzelne Arbeitsplätze betrachtet. „Man muss schon die ganze Prozesskette analysieren, um herauszufinden, wo eine MRK am besten zu installieren ist“, sagt Vette.

Für die Anlagendesigner wäre es am günstigsten, sie könnten komplette Fertigungsstraßen neu planen und dabei überlegen, wo ein reiner Handarbeitsplatz und wo eine Kollaboration von Vorteil sind. Dazu werden auch Planungswerkzeuge entwickelt, um Arbeitsinhalte optimal auf den Werker und den Roboter zu verteilen und den MRK-Arbeitsplatz zu planen.

So wird am Institut für Produktionssysteme IPS der Technischen Universität Bochum an Möglichkeiten zur digitalen Planung von MRK-Arbeitsplätzen geforscht. Eine Software soll einen Arbeitsplatz sowie einen kollaborativen Roboter und einen Menschen simulieren, die beide gleichzeitig an einem Produkt arbeiten. Vorgesehen ist, dass die Simulation danach Vorschläge für Montageprozesse liefert.

Basis dafür ist eine Checkliste: Sie soll dazu dienen, den passenden Roboter auszuwählen sowie eine Tätigkeit in sinnvolle Teilschritte zu unterteilen. Daten dieser Analyse sollen dann in die Simulation eingespeist werden. Andre Barthelmey vom IPS: „Unser System wird es auch Unternehmen ohne eigene Entwicklungsabteilung ermöglichen, MRK-Anwendungen zu planen.“


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

Allgemein wird der Begriff MRK (Mensch-Roboter-Kooperation beziehungsweise Mensch-Roboter-Kollaboration) für den schutzzaunlosen Roboterbetrieb verwendet. Dabei gibt es aber verschiedene Interaktionsszenarien:

1. Koexistenz: Mensch und schutzzaunloser Roboter arbeiten nebeneinander in benachbarten Bereichen, haben aber keinen gemeinsamen Arbeitsraum. 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. Eine solche Arbeitssituation ist in einer Übergabestation für einen Montageroboter gegeben.

3. Kollaboration: Mensch und Roboter haben einen gemeinsamen Arbeitsraum und arbeiten gleichzeitig am selben Bauteil.

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