Mensch-Roboter-Kollaboration: Wie innovative Cobots & neue Controller die automatisierte Industrieproduktion revolutionieren werden.

Der automatisierten Industrieproduktion steht die nächste technische Revolution bevor. Eine Branche, in der die Automatisierung bislang in erster Linie zur Steigerung des Produktionsvolumens eingesetzt wurde, hat angesichts steigender Lohnkosten, sinkender Verfügbarkeit und der sich ständig verändernden Konsumnachfrage (Losgröße 1) die Flexibilität für sich neu entdeckt.

Doch ein großer Teil der Fertigungsaufgaben lässt sich nach wie vor nicht sinnvoll automatisieren. Dieser Wert nimmt jedoch stetig ab – die Cobots sind auf dem Vormarsch und werden die Automatisierung in vielen Bereichen neu definieren.

Das mag angesichts gängiger Studien, wie etwa „Leichtbau-Roboter in der manuellen Montage“ des Fraunhofer IAO-Instituts aus dem Jahre 20161 unrealistisch klingen, denn sie fanden nur wenige MRK-Anwendungen in der Produktion – typisch ist eher die Koexistenz zwischen Roboter und Mensch. Auch eine US-Marktforschungsstudie2 legt nahe, dass Cobots heute nur eine geringe Bedeutung haben; so hatten sie im Jahre 2015 einen Anteil von gerade einmal vier Prozent am weltweiten Gesamtmarkt für Industrieroboter.

Doch wer genauer hinschaut, erkennt das Potenzial der Cobots: So wurde in der Fraunhofer-Studie bei 20 von 25 untersuchten Applikationen als Grund für die Einführung von Cobots die „Erhöhung der Wirtschaftlichkeit“ angegeben – ein langfristig entscheidender Faktor! Und die „Internatonal Federation of Robotics“ (IFR) prognostiziert für das Jahr 2025 einen Cobots-Marktanteil von 34 Prozent.3

Die Gründe liegen auf der Hand: Cobots sind sehr kosteneffizient, in der Praxis flexibel einsetzbar, in weniger strukturierten Umgebungen einfach zu integrieren und ermöglichen schnelle Anwendungswechsel. Sie sind zunehmend einfacher zu programmieren bzw. intuitiv einzulernen und können gleichzeitig immer höherwertige Aufgaben übernehmen. Die Nachteile der Cobots im Vergleich zu herkömmlichen Robotern – geringere Geschwindigkeit, Traglast und Bewegungsradius – lassen sich zunehmend ausgleichen, wenn sie denn nicht gewollt sind (Geschwindigkeit). In der jetzigen „Frühphase“ der Cobots-Revolution dürften aber der Kostenfaktor und die einfache Integration ausschlaggebend sein: Selbst KMUs können sich Cobots leisten, d.h., eine „schlanke“ Automatisierung – spezifisch und daher immer partiell – wird zu einer ernormen Ausweitung der Automation führen, und zwar angetrieben von den Cobots. Gleichzeitig ermöglichen es Features wie die integrierte Bildverarbeitung und kraftgesteuerte Servogreifer, kollaborative Roboter in weniger automatisierungsgerechte und repetitive Aufgaben einzuarbeiten, die bisher von Menschen ausgeführt werden mussten. Die wertvolle „Ressource“ Mensch kann also für wertschöpfendere Aufgaben eingesetzt werden.

Dieser Ist-Zustand spiegelt sich in den aktuellen Einsatzmöglichkeiten von Cobots wieder, die neben den klassischen Fertigungsindustrien zunehmend auch z.B. in der Medizin- und Pharmatechnik, der Forschung und Bildung, liegen. Doch der Bedarf für die industrielle Nutzung steigt kontinuierlich, insbesondere in der Elektronikindustrie. Interessant ist die Perspektive der Automobil- und Automobilzulieferindustrie, die in den Cobots ein enormes Potenzial sieht.4

Kollaborative Roboter: Beispiel COBOTTA

Ein Beispiel für einen der innovativsten neuen Roboter für das MRK-Segment, der kürzlich auf der automatica vorgestellt wurde, ist der COBOTTA von DENSO Robotics.

Mit einem Eigengewicht von nur 4 kg und einer in den Roboterarm integrierten Steuerung ist der Roboter extrem kompakt, einfach zu transportieren und sofort einsatzbereit. Ein standardmäßig integrierter, elektrischer Greifer und eine (optional) integrierte Kamera am Roboterarm ergänzen die intuitiv-einfache Erstellung unterschiedlichster Applikationen. Der Roboter ist als offene Plattform entwickelt (standardmäßig wird ORiN unterstützt) und läßt sich daher flexibel in bestehende Systeme integrieren. Mit einer Traglastfähigkeit von bis zu 500 g und der Kompaktheit eignet sich COBOTTA besonders zum Arbeiten auf begrenztem Raum und in direkter Zusammenarbeit mit dem Menschen – einsetzbar für vielfältige Anwendungen z.B. im Laborbereich.

Abbildung 1: COBOTTA (DENSO Robotics)

Eine zentrale Bedeutung kommt natürlich der Sicherheit in der Zusammenarbeit mit Menschen zu: Sie wird bei diesem Roboter zum einen durch ein inhärent-sicheres Design (Leichtbau-Arm ohne Ecken und Kanten, minimal mögliche Kräfte und Drücke durch entsprechend entwickelte Antriebstechnik) und zum anderen durch „funktionale Sicherheit“ gewährleistet, indem die Drehmomente und Geschwindigkeiten aller Achsen kontinuierlich sicher überwacht werden. Dank dieser Kombination erfüllt COBOTTA die ISO-Normen ISO 10218-1, ISO/TS 15066 und ISO 13849-1:2015 PLd Cat.3. Die Geschwindigkeit (250 – max. 1000 mm/s) ist den Herausforderungen der direkten Zusammenarbeit mit Menschen angepasst, d.h. es ist je nach Applikation und entsprechender Risikobeurteilung keine Sicherheitszelle erforderlich. 

Dass die Cobots ein wichtiges Element für IoT-Anwendungen und die Industrie 4.0 – mithin für die „smart factories“ der Zukunft – sein werden, zeigen u.a. die für Cobots verfügbaren Apps zur einfachen Erstellung von typischen Handhabungs- und Pick&Place Aufgaben mittels Tablet. Dabei sind oft selbst der elektrische Greifer und integrierte Kameras am Roboterarm komplett eingebunden. Damit können sowohl kraftgesteuerte Greifapplikationen als auch Applikationen und Verwendung der Bilderkennung (2D) auf einfachste Weise und in wenigen Minuten erstellt werden. Das alles leistet z. B. die App COBOTTA World; mit einer weiteren App „Remote TP“ können Experten auch komplexe Applikationen mittels der DENSO-Roboterprogrammiersprache PacScript mit einem virtuellen Roboter Teach-Pendant erstellen.

Eine interessante Perspektive eröffnet die Kombination von Cobots mit FTS und Mobilrobotern: Dank ihres geringen Gewichts, des minimalen Platz- und des kleinen Leistungsbedarfs sind sie dafür ideal geeignet und müssen meist noch nicht einmal umgerüstet werden. So zeigte DENSO Robotics auf der diesjährigen automatica den COBOTTA an einer Drohne montiert – eine Kombination, die bei den Fachbesuchern großes Interesse weckte.

Controller als Wegbereiter der MRK in der industriellen Automation

Bei all dem Hype um die Cobots wird oft genug ein anderer, ebenso zukunftsweisender Faktor für die Weiterentwicklung der MRK übersehen – die Robotersteuerung. Die Controller sind die Wegbereiter für die Integration von klassischen Industrierobotern in die künftige MRK-basierte Automation.

So bietet DENSO Robotics beispielsweise seinen neuen Controller RC8A in zwei Versionen an – als Standard und mit Safety Motion Funktionalität. Letztere ist entscheidend: Sie wurde für Einsatzbereiche ohne klassische Roboter-Schutzzelle entwickelt. Damit wird eine sichere Zusammenarbeit zwischen Menschen und dem Standard-Industrieroboter möglich. Das Prinzip ist auf einer konstanten Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung basiert, was den Verzicht auf klassische Sicherheitszäune ermöglicht.

Es können mehrere Sicherheitszonen definiert werden; dabei wird die Geschwindigkeit des Roboters beim Betreten der bestimmten Sicherheitszone automatisch angepasst: Von der Reduzierung der Arbeitsgeschwindigkeit bis zum sicheren Anhalten. Hierbei verbleibt der Roboter im Automatikmodus und setzt beim Verlassen der jeweiligen Sicherheitszone seine Bewegung weiter fort bzw. passt seine Geschwindigkeit automatisch an.

Abbildung 2: Sicherheitszonen mit DENSO Safety Motion Funktionalität

Dabei können die klassischen Vorteile von Industrierobotern (hohe Geschwindigkeit und Präzision) beibehalten werden. Durch den Wegfall von klassischer Sicherheitsumzäunung ist der einfache Zugang zum Roboter gewährleistet – und es wird wertvoller Platz gespart.

Zur sicheren Objekterkennung lassen sich die unterschiedlichsten Sicherheitsgeräte verwenden: Laserscanner, Lichtschränke, Sicherheitsmatten etc. Die Sicherheitsfunktion des RC8A Controllers ist nach EN ISO 13489-1 ist von TÜV Rheinland zertifiziert und erfüllt die Performance Level PL= d/Cat.3, SIL 2. Mit seiner Größe von 411x320x94mm ist der RC8A Controller zudem sehr kompakt.

Fazit: Kollaborative Robotics werden die Automatisierung revolutionieren

Die kollaborative Robotics als neue, innovative Technologie gewinnt zunehmend an Bedeutung in der Produktion. Doch das ist erst der Anfang; sie werden die Robotik in vielfacher Hinsicht revolutionieren: Sie werden zunehmend in die industrielle Produktion integriert – u.a. dank neuer Controller. Sie werden so ein Umdenken in der automatisierten Industrieproduktion einleiten, d.h. die traditionelle, auf Komplexität und Umfang ausgelegte Automatisierung wird differenzierter. Sie erschließen andere, völlig neue Bereiche, in denen bislang überhaupt noch keine Robotertechnik zu finden ist, d.h., die kollaborative Robotics eröffnen Möglichkeiten, manuelle Applikationen sinnvoll und effizient zu automatisieren und hierbei den Menschen mit einzubinden.  

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