Im Überblick: Sicherheitskonzepte für kollaborative Roboter

Sichere Kollaboration: Vom Sensor bis zur Schutzhaut

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Wie sicher kollaborative Roboter sein sollen, geben zwar Normen und Richtlinien vor. Doch wie das technisch umgesetzt wird, bleibt den Herstellern überlassen – ein Überblick über die verschiedenen Ansätze.

Autor: Bernhard Foitzik

Bei Flugzeugen wird in die Sicherheit zwar noch mehr investiert als bei Robotern, aber mit einer Ausfallwahrscheinlichkeit der Sicherheitsfunktionen von 10 hoch minus 8 liegen kollaborative Roboter schon ziemlich gut. Das entspricht etwa einem Ausfall in der Zeitrechnung nach Christi Geburt. Dr. Albrecht Hoene, Director Human Robot Collaboration in der Forschung und Entwicklung von Kuka, drückt es so aus: „Der technische Stand, was die Sicherheit angeht, ist wahnsinnig hoch, und ich sehe uns da momentan vorne.“

Was aber führt technisch zu einem derart hohen Sicherheitsstandard, der im kollaborativen Betrieb einfach erforderlich ist, weil dort ja nun kein Schutzzaun mehr vorhanden ist? Dafür hat Kuka seinem LBR iiwa nicht nur einen Sensor pro Gelenk implantiert, sondern verwendet auch Multi-Core-Prozessoren für die Steuerung. Ein Teil der Kerne ist nur für Sicherheitsfunktionen zuständig. Hoene: „Das ist eine deutlich verstärkte Steuerung.“

Das System „Roboter/Steuerung“ inklusive der Gelenkmomentensensoren hat zwangsläufig seinen Preis. Auch die Sensoren selbst sind zweikanalig ausgelegt: „Der Ausfall einer Komponente darf nicht zum Verlust der Sicherheit führen“, betont Hoene.

Sicher und doch kostengünstig

Bei den Robotern von Universal Robots dagegen basiert die Sicherheit auf dem Antriebskonzept der Leichtbauarme. „Wir überwachen den Motorstrom, begrenzen das maximale Drehmoment und kontrollieren die aktuelle Position“, sagt Andreas Schunkert, Head of Technical Support Western Europe von Universal Robots. „Dabei haben wir darauf geachtet, dass die Roboter bei größtmöglicher Sicherheit kostengünstig bleiben.“

Auch in Bezug auf die Gestaltung der MRK-Applikation plädiert Schunkert für einen pragmatischen Ansatz: „MRK-Arbeitsplätze müssen nicht zwangsläufig eine zentrale Position innerhalb einer Anlage haben.“ Ein häufiger Irrtum beim Einsatz kollaborativer Roboter sei es, einen kraft-leistungsbegrenzten Roboter so zu platzieren, dass der gesamte Arbeitsbereich als kollaborierender Bereich bestimmt wird. „Sinnvoller ist es, den kollaborativen Bereich so klein wie möglich und nur so groß wie nötig zu wählen.“ Damit sei man auf der sicheren Seite, habe weniger Aufwand und trotzdem die größtmögliche Sicherheit.

Im Gegensatz zu Universal Robots hält Thomas Suchanek, Manager Technical Documentation Safety bei der Robotics Division von Yaskawa, die Kraftbegrenzung durch Messung des Motorstroms der einzelnen Achsen für zu ungenau: „Um für alle Positionen und Orientierungen des Manipulators präzise Kraftbegrenzungen einzustellen, sind Kraftsensoren an jeder Achse notwendig.“

Sensorik für jedes Gelenk

Gerade für die Königsklasse der vier Kollaborationsarten nach TS 15066 – die Leistungs- und Kraftbegrenzung – seien Kraft- und Momentensensoren für jede Achse bzw. jedes Gelenk aktuell die beste technische Lösung, so Suchanek. Daher hat Yaskawa die Kinematik seines MRK-Roboters HC10 – HC steht für Human Collaborative – speziell für den kollaborierenden Betrieb entwickelt. Allerdings gibt es durchaus Gleichteile mit der Serie. Suchanek: „Der HC10 verwendet grundsätzlich die gleiche Steuerung wie unsere aktuellen Industrieroboter.“

Auch der mit dem deutschen Zukunftspreis ausgezeichnete Roboter-Arm von Franka Emika hat in allen sieben Gelenken entsprechende Drehmomentsensoren eingebaut, die Bewegungen beim Auftreffen auf ein Hindernis stoppen können. Dagegen verwendet Fanuc bei seiner auf inzwischen fünf Modelle angewachsenen kollaborativen CR-Roboter-Baureihe statt Sensoren in jedem Gelenk nur einen einzigen Kraft-Momenten-Sensor, der im Sockel der Roboter untergebracht ist. Den Vorteil begründet Fanuc so: „Damit können wir unsere Serienroboter samt Steuerung einsetzen. So sind Komponenten austauschbar und alle Roboter einheitlich zu programmieren.“

Sonderlösungen stehen auch bei Stäubli nicht besonders hoch im Kurs. Stäublis Robotics-Chef Gerald Vogt: „Reine Assistenzroboter unterliegen deutlichen Einschränkungen hinsichtlich Traglast, Dynamik, Reichweite und Präzision. Genau das wollten wir nicht.“ Daher deckt Stäubli mit der TX2-Reihe alle Stufen der Mensch-Roboter-Interaktion ab: Vom vollautomatischen Standardeinsatz über den Betrieb ohne Schutzzaun bis hin zur höchsten Stufe der MRK, bei der Roboter und Werker gemeinsam an einer Aufgabe arbeiten.

Schutzhülle erkennt Berührung

Basis der Sicherheit ist die Steuerung selbst. Ein integriertes Safetyboard überwacht sämtliche Bewegungen des Roboters in Echtzeit. Dabei verfügt jede Roboterachse über einen eigenen Sicherheitsencoder. Speziell für die anspruchsvollste Stufe der Mensch-Roboter-Kooperation hat Stäubli zudem die TX2-Touch-Baureihe entwickelt, bei der Mensch und Maschine unmittelbar in Kontakt treten können. Auffälligstes Merkmal der TX2-Touch-Modelle ist deren Safety-Skin, eine berührungsempfindliche Oberfläche, die den Roboter wie eine Haut überzieht. Bei einem Kontakt stoppt der Roboter sofort.

Sogar ganz ohne Berührung stoppt Boschs automatischer Produktionsassistent, kurz Apas. Dessen Haut ist ein Überzug mit kapazitiven Sensoren. Ist kein Mensch in der Nähe, arbeitet der Roboter mit bis zu 2,3 m/s. Tritt ein Mensch in den erweiterten Wirkungskreis, reduziert der Roboter seine Geschwindigkeit. Rund 120 Sensoren in der Haut geben das Signal für eine Reduzierung und stoppen den Apas, wenn der Mensch zu nahe kommt.

Unter der Apas-Sensorik-Hülle steckt übrigens ein ganz normaler, handelsüblicher LR Mate von Fanuc. Auch Fanuc hat seine CR-Cobots mit einer weichen grünen Oberfläche umgeben. Diese besitzt allerdings keine Sensoren, sondern dient vor allem als passive, stoß-abfedernde Ergänzung des Sensors im Sockel.

Jeder Roboter wird zum Cobot

Mit einer ganz anderen Schutzhaut sorgt das junge Wiener Unternehmen Blue Danube für Aufsehen. Die Airskin besteht aus einem Schaumstoff, in dem Sensoren platziert sind, und der mit einer Polyurethanbeschichtung umhüllt ist. Die Sensorik im Inneren misst jede noch so geringe Druckveränderung und leitet diese Information an die Steuerung des Roboters weiter. Während das Signal unterwegs ist, hat der Roboter noch einige Millisekunden Nachlaufzeit. Diese Restbewegung federn die Airskin-Pads ab.

Mit der Airskin zielt Blue Danube nicht nur auf kleine leichte Cobots, sondern durchaus auch auf den Einsatz an größeren Robotern, wie CEO Dr. Walter Wohlkinger erläutert: „Airskin wird das Cobot-Paradigma grundsätzlich verändern, da wir mit unserem Kollisionssensor auch schwere Industrieroboter in sanfte Cobots verwandeln.“

All diese Beispiele zeigen: Es gibt inzwischen auf dem Markt eine ganze Menge technischer Konzepte, um Roboter in kollaborative Kollegen zu verwandeln: Von der Strombegrenzung der Antriebsmotoren über den Einbau von Kraft-Momenten-Sensoren bis hin zur Umhüllung des Roboters mit einer Schutzhülle – entweder, um einen Stoß passiv abzufedern (Fanuc) oder um mit Sensorik den Roboter bei Berührung oder Annäherung sofort zu stoppen (Stäubli, Bosch, Blue Danube).

Noch keine belastbaren Zahlen

Wie aber sieht es auf der Anwendungsseite aus? Sind die Cobots tatsächlich auf dem Vormarsch? Vom Weltroboterverband IFR gibt es zu kollaborativen Robotern „aktuell noch keine belastbaren Erhebungen“, so die IFR. Möglicherweise werde es im neuen World Robotics Report dazu erste Zahlen geben. Dieser Report soll im September veröffentlicht werden.

Sehr offensiv geht dagegen Universal Robots mit Zahlen zu diesem Marktsegment um. Verständlich, sieht man sich doch selbst als Marktführer im Bereich kollaborativer Robotik, wie Schunkert sagt: „Weltweit verzeichnen wir mit 58 Prozent Marktanteil die größte Anzahl installierter, kollaborativer Leichtbauroboter.“ Über 21 000 UR-Roboter der Dänen sind bereits weltweit im Einsatz. Auf 20 Prozent schätzt Schunkert dabei den Anteil der echt kollaborativ, also mit Kraft-Leistungs-Begrenzung, eingesetzten Roboter. Bei 21 000 Robotern sind das immerhin gut 4200 Roboter im kollaborativen Betrieb. Davon sind die großen Hersteller von Industrierobotern weit entfernt.

Es gibt also noch einiges zu tun, um der kollaborativen Robotik den echten Massenmarkt zu erschließen. Um den Markt für kollaborierende Roboter gemeinsam zu erweitern, haben daher mit ABB und Kawasaki zwei echte Robotik-Schwergewichte Ende 2017 eine Zusammenarbeit angekündigt. Im Fokus steht neben der Steigerung des Interesses an kollaborativen Robotern auch die gemeinsame Entwicklung neuer Ansätze für Sicherheit, Programmierung und Kommunikation. Insbesondere geht es dabei um doppelarmige Cobots, die beide Partner bereits im Angebot haben – hier der Duaro von Kawasaki, dort der Yumi von ABB.

Als technische Basis für die sichere Kollaboration setzt ABB ebenfalls auf sensitive Kraft- und Drehmomentensensorik – sowie auf die inhärent sichere Konstruktion durch geringe bewegte Massen. Das geringere Gefährdungspotenzial eines kleinen Roboters ist wohl auch der Grund, weshalb die meisten Hersteller zunächst einen Roboter der unteren Traglastklasse auf den Markt bringen.

Einfache Bedienung gefragt

Die Sicherheit ist aber nur ein Aspekt, um die Einsatzfelder der kollaborativen Assistenten zu erweitern. Gefragt ist insbesondere ein Easy-to-use-Ansatz. Denn die Roboter sollen ja nicht nur nach einer Kollision Freunde des Menschen bleiben, sondern eben auch durch seine einfache Bedienung punkten. Das Verfahren des Roboters per Hand (können die meisten) gehört hier ebenso dazu wie die einfache Programmierung über eine intuitive Oberfläche (da fehlt es noch). Maßstäbe hat hier Franka Emika gesetzt: Auf einer Smartphone-ähnlichen Oberfläche stehen mehrere Apps zum Beispiel für Greifen oder Drehen zur Auswahl und müssen nur in die gewünschte Reihenfolge gezogen werden. Diese Programmierung hat auch bei den ganz großen Herstellern für Raunen gesorgt.

Aber natürlich sind auch die etablierten Hersteller nicht untätig. Einen nächsten Schritt geht Kuka und bindet in einem Forschungsprojekt ein ganz normales Smartphone in die Positionierung und Steuerung eines LBR iiwa ein.

http://new.abb.com/products/robotics/de

www.bluedanuberobotics.com

www.bosch-apas.com

www.fanuc.de

www.franka.de

www.kawasakirobot.de

www.kuka.de

www.staubli.com/de-de/robotics/

www.universal-robots.com/de

www.yaskawa.eu.com


Geschwindigkeit und Abstand überwachen

Neben der direkten Zusammenarbeit von Mensch und Roboter mit einer Leistungs- und Kraftbegrenzung ist auch die Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung eine Variante der Mensch-Roboter-Kollaboration. Hierzu haben quasi alle Roboterhersteller entsprechende Software-Funktionen in ihrer Steuerung implementiert – diese heißen beispielsweise Safe Zone oder Dual Check Safety.

Mit Hilfe einer solchen Software lässt sich nicht nur der Arbeitsbereich des Roboters begrenzen, sondern es lassen sich auch bestimmte Bereiche definieren, in denen sich der Roboter langsamer bewegen muss und solche, in denen er schneller fahren darf. Die meisten Hersteller haben solche Software allerdings schon lange im Angebot, länger jedenfalls als es den Begriff „Cobot“ überhaupt gibt.

Ergänzend dazu gibt es inzwischen ein großes Angebot an Zusatzkomponenten wie Laserscanner, Trittmatten oder Überwachungskameras und sogar Ultraschallsensoren, mit denen Systemintegratoren jeweils passende MRK-Arbeitsplätze bauen können.


Cobot oder Standard?

Zur Umsetzung der direkten Mensch-Roboter-Kollaboration haben sich zwei grundlegende Ansätze heraus kristallisiert:

1. Manche Hersteller bauen spezielle Cobot-Modelle, oft in Form eines Leichtbauarms. Neben dem Pionier Universal Robots gehören dazu Newcomer wie Franka Emika oder der US-Spezialist Rethink (Sawyer). Aber auch einige Industrieroboter-Größen haben Cobot-Linien im Angebot, etwa ABB (Yumi), Epson (Worksense), Kawasaki (Duaro), Kuka (LBR iiwa), Nachi (CZ) oder Yaskawa (HC 10).

2. Andere Anbieter gehen dagegen eher den Weg, ihre Standard-Industrieroboter kollaborationstauglich zu machen, etwa durch Sensorik (Fanuc CR) oder via Schutzhaut (Bosch Apas, Stäubli TX2touch, Comau Aura).


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