Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 04/2017, 20.04.2017

Komplexer als – gedacht

Einer der jüngeren Medienhypes im Bereich der industriellen Automatisierung heisst «kollaborative Roboter». Was macht einen solchen Roboter im Kern aus? Mit der ursprünglichen Definition, dass dieser dann «kollaborativ» ist, wenn er ohne physische Schutzbarrieren mit dem Menschen zusammenarbeiten kann, ist noch nicht alles Wesentliche gesagt. Die «Technische Rundschau» listet hier erstmalig für die Schweiz die auf dem Markt erhältlichen Robotermodelle auf, die laut Hersteller den Anspruch «kollaborativ» erfüllen.

Autor: Markus Schmid

Das sprunghaft gestiegene Interesse an den kollaborativen Robotern, so genannten «Cobots» (von Englisch: collaborative robots), nährt sich aus der Einschätzung der Automatisierungsfachwelt, dass diese «Stahlkollegen» Automatisierung gerade dort ermöglichen, wo dies bisher unmöglich schien, nämlich in der direkten Interaktion zwischen dem Anlagenbediener und dem Handlinggerät. Dies ist mit konventionellen Industrierobotern wegen der Verletzungsgefahr für Menschen nicht möglich.

Kurz zu Entstehungsgeschichte und Benennung: Das Konzept für «collaborative robots» entstand 1995 in einem von der General Motors Foundation initiierten Forschungsprojekt. Das Ziel war, Roboter so sicher zu machen, dass sie Hand in Hand mit Menschen arbeiten können. Die erste Patentschrift definierte diese Roboter so: «Ein Apparat und eine Methode zur direkten physischen Interaktion zwischen einer Person und einem Allzweckmanipulator, der von einem Computer gesteuert wird.»

Heute sind kollaborative Roboter Realität und werden von mehreren Herstellern angeboten. Sie können insbesondere KMU helfen, ihre Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern. Dafür gibt es mehrere Gründe. Erst einmal sind sie im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern schnell eingerichtet. Das Aufstellen und in Betrieb nehmen eines Industrieroboters dauert mindestens einige Tage, wenn nicht Wochen. KMU benötigen jedoch Lösungen, die in möglichst kurzer Zeit aufgestellt werden können. Dies gelingt mit den aktuellen kollaborativen Kollegen.

Zweitens ist deren (Um-)Programmierung relativ einfach und gelingt auch ohne Vorkenntnisse dank Teach-in von Hand, intuitiven Tools und dadurch, dass die Kenntnis von Programmiersprachen nicht mehr Voraussetzung ist. Dies erspart den KMU kostenintensive Programmierarbeiten.

Kollaborative Roboter und die KMU

Weitere für KMU entscheidende Vorteile von Cobots sind die sehr flexiblen Einsatzmöglichkeiten und die dank vergleichsweise geringer Anschaffungskosten kurze Amortisationszeit. Für die KMU-typischen kleinen Losgrössen und die geforderten kurzen Umrüstzeiten ist der Einsatz von konventionellen Industrierobotern oft zu umständlich. Kollaborative Roboter hingegen sind leicht und kompakt und können damit problemlos schnell in die Arbeitsumgebung verschoben werden, in der sie gerade benötigt werden, ohne dass Produktionsabläufe geändert werden müssen. Auch hierbei wirkt sich der geringe Einrichtungsaufwand positiv aus und unterstützt flexible Fertigungsverfahren.

Von aussen sind die aktuellen Cobot-Modelle nicht immer als solche erkennbar. Auf den ersten Blick sehen sie gleich aus wie klassische, relativ kleine Industrieroboter. Wie also unterscheiden sie sich von diesen?

Klassische Industrieroboter arbeiten ihre Aufgaben mit maximaler Geschwindigkeit nach ihrem Programm ab. Während dieser gesamten Zeit dürfen sich in ihrem Arbeitsraum nur Objekte befinden, die im Programm des Roboters eindeutig räumlich definiert sind, da sonst Kollisionsgefahr besteht mit allen negativen Folgen wie Anlagenstillstand und Materialschaden. Durch die hohe kinetische Energie im Roboter inklusive Werkzeug und dem manipulierten Werkstück kann eine solche Kollision für einen Mensch, der sich in diesem Raum aufhält, tödlich enden. Deshalb sind Schutzeinrichtungen unabdingbar, um die Anlagensicherheit zu gewährleisten und Unfälle zu vermeiden.

Kollaborative Roboter jedoch sind dafür konstruiert, mit Menschen gemeinsam im selben, definierten Raum zu arbeiten, was als Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) bezeichnet wird. Typischerweise bieten sie eine Nutzlast von maximal 35 kg. Zum System gehören Sensoren, die der Steuerung melden, wenn ein Mensch entweder in den Arbeitsraum eindringt, sich dem Roboterarm annähert oder ihn gar berührt. Dies führt je nach System und Situation zu einer Verlangsamung der Arbeitsgeschwindigkeit oder zu einem sicheren Stillstand.

In den letzten Jahren wurden diese Möglichkeiten in verbindliche Normen gefasst. Für sichere Industrieanwendungen muss nach der Normenreihe EO ISO 10 218 eine geeignete Methode aus den hier unterhalb folgenden vier Methoden oder sogar eine Abfolge von mehreren dieser Methoden gewählt werden.

1. Sicherheitsbewerteter überwachter Halt:

  • Bei dieser Methode ist eine gleichzeitige Bewegung des Menschen und des Roboters nicht erlaubt. Der Roboter bewegt sich so lange autonom, bis der Mensch den Kollaborationsraum betritt. Dann muss der Roboter sicher stoppen. Jetzt kann der Mensch direkt am Roboter arbeiten, beispielsweise ein Werkstück kontrollieren. Sobald der Mensch den Raum verlässt, kann der Roboter weiterarbeiten.

2. Handführung:

  • Diese Methode erlaubt eine gleichzeitige Bewegung und enge MRK im Kollaborationsraum. Der Roboter bewegt sich aber nicht autonom, sondern wird vom Menschen geführt, zum Beispiel mittels Joystick. Anfahrbare Positionen und Geschwindigkeiten sind durch sichere Technik überwacht. Verlässt der Mensch den Raum, kann der Roboter auch autonom weiterarbeiten wie bei Methode 1. Der Kontrollraum wird dann überwacht.

3. Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung:

  • Hier ist eine gemeinsame Bewegung von Roboter und Mensch im Kollaborationsraum möglich, aber keine enge Zusammenarbeit. Das Risiko ist dadurch reduziert, dass permanent ein Sicherheitsabstand zwischen Mensch und dem sich autonom bewegenden Roboter realisiert wird. Dieser Abstand darf je nach Geschwindigkeit des Roboters variieren, er kann bei Annäherung des Menschen stoppen oder dem Menschen ausweichen. Die Positionen aller Personen im Kontrollraum müssen durch berührungslose Sensoren sicher erfasst werden.

4. Leistungs- und Kraftbegrenzung:

  • Bei dieser Methode arbeiten Mensch und Roboter gleichzeitig so eng zusammen, dass es auch zu Kollisionen kommen kann. Das Risiko ist dadurch reduziert, dass die bei einer Kollision einwirkende Kraft und der Druck in der Kollisionsfläche beim Roboter sicher begrenzt sind. In einer Risikobeurteilung werden die zulässigen Grenzwerte bestimmt und deren Einhaltung am Arbeitsplatz überprüft. Die Bewertung des Roboters muss entsprechend parametriert werden (Geschwindigkeit, Trajektorien, Bremsrampen).

Weiter gilt, dass der Mensch den Roboter auch selber stoppen können muss, beispielsweise mittels Not-Halt. Bei einem Ausfall der Sicherheitsfunktionen muss ein sicherer Stopp erfolgen und der Wiederanlauf nach einem Stopp darf nur durch eine bewusste Handlung des Bedienpersonals erfolgen.

Die Roboterhersteller setzen auf unterschiedliche Sicherheitssysteme, je nach Philosophie und Gewichtsklasse. Die einen arbeiten mit in den Roboter integrierten, andere mit externen Systemen

Letztlich ist es Aufgabe des Systemintegrators, den Roboter nach EO ISO 10 218/2 innerhalb der Lösung zu zertifizieren. In seiner Risikobeurteilung muss er diesen aber zusätzlich immer zusammen mit dem eingesetzten Werkzeug – also etwa dem Greifer – und mit den zu handhabenden Werkstücken beurteilen. Hinzu kommt dann noch die Zertifizierung der Gesamtanlage mit allen Komponenten. Dies alles illustriert, dass es mit dem Aufstellen eines vom Hersteller als kollaborativer Roboter angepriesenen Gerätes nicht getan ist. Ein erfahrener Systemintegrator hat diese Aspekte im Griff. Der Anwender sollte sich darum also nicht zu kümmern brauchen.

Die Tabelle zur TR-Umfrage

Noch ein Wort zum Zustandekommen der von der «Technischen Rundschau» zusammengestellten Tabelle (PDF unter diesem Link): Die Redaktion hat dafür in einem ersten Schritt alle auf dem Schweizer Markt angebotenen Robotermodelle zusammengetragen, die in den Beschreibungen ihrer Hersteller als «kollaborativ» oder «kollaborierend» bezeichnet werden. Die Anbieter erhielten dazu von der TR einen Fragebogen zugeschickt.

Neben den Herstellern, die in der Tabelle aufgeführt sind, wurden zusätzlich folgende Unternehmen kontaktiert: Adept, Comau, Epson und Mitsubishi. Diese verzichteten jedoch auf eine Teilnahme, mit der Begründung, dass sie im Moment keine kollaborativen Roboter im Sortiment führen.

Die Definitionen der Hersteller

Die TR-Umfrage schloss mit der Frage: Wie definieren Sie den Begriff «kollaborativer Roboter»? Hier die Antworten der Hersteller:

ABB: «YuMi arbeitet nach dem in ISO 10 218 definierten Prinzip der Kraft-Leistungsbegrenzung. Auf Grund der Leichtbauweise, der Polsterung und da keine Quetschstellen vorhanden sind, ist YuMi ohne weitere Schutzmassnahmen ungefährlich für den Menschen. YuMi ist daher ein echt-kollaborativer Roboter.»

Fanuc: «Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine ohne mechanische und/oder elektronische Zusatzausrüstung bezüglich Personensicherheit. Die Sicherheit gegenüber Personen wird durch den Roboter (integrierte und zertifizierte Sensorik) selbst gewährleistet.»

Kuka: «Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration assistiert der Roboter dem Menschen. Das bedeutet: Die Maschine ersetzt nicht den Menschen, sondern ergänzt seine Fähigkeiten und nimmt ihm belastende Arbeiten ab.»

Stäubli: «Die Stäubli-TX 2-Roboter sind High-Performance-Maschinen, die alle Stufen der Mensch-Maschine-Kollaboration abdecken können. Diese Standard-Roboter sind für alle Branchen geeignet, und vor allem auch unter sensiblen und restriktiven Produktionsumgebungen einsetzbar. Sie bieten ein Höchstmass an Sicherheit für Mensch und Maschinen und sind SIL 3 und PLe zertifiziert.»

Universal Robots: «Die kollaborierenden Roboterarme von Universal Robots lassen sich problemlos in ein bestehendes Produktionsumfeld integrieren. Mit sechs Gelenken und einer konkurrenzlosen Flexibilität sind sie in der Lage, alleine oder in Zusammenarbeit mit dem Menschen, einen Produktionsprozess zu optimieren.»

Yaskawa: «Der Motoman HC10 kann im kollaborierenden Betrieb (Mensch-Roboter Interaktion) ohne Schutzzaun arbeiten.»

new.abb.com/products/robotics/de

www.fanuc.eu/ch/de/roboter

www.kuka.com/de-ch

www.staubli-schweiz.ch/de/robotics

www.universal-robots.com/de

www.yaskawa.eu.com/de/

hier geht's zur Übersichtstabelle



Auspacken, aufstellen, loslegen? Ganz so einfach ist es auch mit kollaborativen Robotern nicht. (Bild: Kuka)


Kompaktes Paket: Fanuc bietet vier kollaborative Robotermodelle in drei Nutzlastklassen an, die Sensorik ist in die Roboter integriert. (Bild: Fanuc)

Kommentare der Anbieter zu einzelnen Fragen

Angesichts der komplexen Materie ist es nicht erstaunlich, dass einige der Teilnehmer an der Umfrage zu bestimmten Fragen – naturgemäss vor allem solche, die das Thema Sicherheit betreffen – Anmerkungen haben, da sie sich aus ihrer Sicht nicht mit unserem bewusst einfach gewählten Ja/Nein-Schema ausreichend beantworten lassen. Wir listen hier diese Antworten in der Abfolge der Fragen und dann jeweils alphabetisch nach Hersteller geordnet im exakten Wortlaut auf.

Maximale Reichweite?
Stäubli Robotics (alle Modelle): Mit kugelförmigem Arbeitsraum!

Achsgeschwindigkeiten?
ABB: Der YuMi bietet als einziger Roboter eine 7. Achse; deren Geschwindigkeit erreicht 400 °/sec.

max. Werkzeug-/TCP-Geschwindigkeit / im Industriemodus bzw. im Kollaborativmodus?
ABB: Bei YuMi gibt es keinen Unterschied zwischen Industriemodus und kollaborativem Betrieb.

Kuka(beide Modelle): Es gibt dazu keine gültige Angabe. Die Geschwindigkeit bei MRK-Anwendungen werden mit Hilfe einer Risikoanalyse bestimmt. Abhängig von der bewegten Masse, der Geometrie und der Körperregion, bei denen ein Kontakt möglich ist, wird die Geschwindigkeit definiert (siehe ISO TS 15 066).

Integriertes Vision-System verfügbar?
Stäubli Robotics (alle Modelle): Nein, aber Ethernet am Vorderarm.

Geprüfte Sicherheit nach ISO TS 15066?
ABB: YuMi ist zertifiziert nach ISO 10 218, wie jeder andere Roboter auch, denn das ist die einzig gültige Norm. Eine Zertifizierung eines Roboters nach ISO TS 15 066 ist nicht möglich, da in diesem Dokument nur die Kräfte angegeben sind, die eine Applikation einhalten muss.

Geprüfte Sicherheit nach EN ISO 13849-1 (Kat. 3 PLd)?
ABB: Ja, sogar ISO 13849-1 Kat. B PLb.

Geht der Roboter bei Kontakt in «sicheren Stopp»?
ABB: Nein, YuMi arbeitet im Modus der Kraft-Leistungsbegrenzung. Eine Kollision mit dem Menschen ist erlaubt und nicht gefährlich. YuMi hält an, geht aber nicht in den sicheren Stopp, da dies nicht notwendig ist.

Ist ein automatischer Neustart nach Kollision/Stopp möglich?
ABB: Ja, es ist möglich aber nicht sinnvoll.