Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Trendreport: Ausgabe 05/2019, 03.05.2019

Gehauen oder gestochen, ein Cobot muss her!

Die «Technische Rundschau» nutzte den Besuch auf der diesjährigen Hannover Messe auch, um sich einen Überblick über den Stand der Dinge im Bereich kollaborative Robotik zu verschaffen. Dabei wurde klar, dass noch nicht alle Hürden überwunden sind, wenn es darum geht, einen «Cobot» möglichst schlank in eine bestehende Produktion zu integrieren. Nichtsdestotrotz: Roboterhersteller kommen weltweit um dieses Thema nicht mehr herum.

Autor: Markus Schmid

Vorweg ein kurzer Blick auf die Hersteller, die in Hannover entweder Neuerungen im Cobot-Bereich zeigten, oder bei denen gerüchteweise an einem solchen Modell für Auftritte später in diesem Jahr gearbeitet wird – ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Ausgenommen sind hier die Anbieter, auf die später in diesem Bericht noch eingegangen wird. ABB geht mit Kawasaki eine Kooperation zu einer gemeinsamen Steuerungsplattform ein. Denso hat mit dem «Cobotta» jetzt einen echten Cobot zu bieten. Kawasaki stellt seinem Zweiarm-Scara-Cobot «Duaro 1» den grösseren Duaro 2 zur Seite, der 3 kg Traglast pro Arm (anstatt 2 kg) bietet. Igus zeigte den Prototypen seines Robolink-Leichtbauroboters. Mitsubishi scheint an einem Cobot zu arbeiten, der noch in diesem Jahr präsentatiert werden soll. Yaskawa zeigte einen Vorserientyp des Motoman SDA20F, der mit 20 kg doppelt soviel Traglast wie der bisherige Motoman 10 bietet.

Rekapitulieren wir kurz das Wichtigste zum Cobots-Konzept: Diese Roboter sollen Automatisierung in der direkten Interaktion zwischen dem Anlagenbediener und dem Handlinggerät ermöglichen, also dort, wo sich dies mit konventionellen Industrierobotern wegen der Verletzungsgefahr für Menschen verbietet. Die Vorteile: Kollaborative Roboter können KMU helfen, ihre Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern. Handelt es sich um Leichtbauroboter, sind diese je nach Applikation im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern physisch schnell eingerichtet. Allerdings kann sich die Zertifizierung als Knacknuss erweisen. Weiter gelingt je nach Steuerungssoftware die Programmierung relativ einfach ohne Vorkenntnisse dank Teach-in von Hand, mit intuitiven Tools oder da, wo Programmiersprachen nicht mehr Voraussetzung sind. Äusserlich unterscheiden sich Cobots von klassischen Industrierobotern dadurch, dass sie keine Schutzeinrichtungen wie Metallzäune oder Lichtgitter zur Absicherung benötigen, wenn sie im echten kollaborativen Betrieb 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 in den Arbeitsraum eindringt, sich dem Roboterarm annähert oder ihn berührt. Dies führt je nach System und Situation zu einer Verlangsamung der Arbeitsgeschwindigkeit oder zum sicheren Stillstand.

Für sichere Indus­trieanwendungen muss heute nach der Normenreihe EO ISO 10 218 eine geeignete Methode aus den folgenden vier Methoden oder eine Kombination daraus gewählt werden:
1. Sicherheitsbewerteter überwachter Halt: Eine gleichzeitige Bewegung von Mensch und Roboter ist nicht erlaubt. Sobald der Mensch den Kollaborationsraum betritt, muss der Roboter sicher stoppen.
2. Handführung: Erlaubt gleichzeitige Bewegung und enge MRK im Kollaborationsraum. Der Roboter bewegt sich aber nicht autonom, sondern wird vom Menschen geführt. Positionen und Geschwindigkeit sind überwacht.
3. Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung: Die gemeinsame Bewegung von Roboter und Mensch im Kollaborationsraum ist möglich, aber keine enge Zusammenarbeit. Es wird immer ein Sicherheitsabstand zwischen Mensch und Roboter realisiert.
4. Leistungs- und Kraftbegrenzung: Mensch und Roboter arbeiten gleichzeitig zusammen, Kollisionen sind erlaubt. Das Risiko ist reduziert, weil die bei einer Kollision einwirkende Kraft und der Druck auf der Kollisionsfläche beim Roboter sicher begrenzt sind.

Nun zu unserer Umfrage: Die TR ging also mit einem kurzen Fragebogen und einem Aufnahmegerät in den Messehallen auf Stimmenfang bei den Cobot-Spezialisten von (alphabetisch) ABB, Bosch Rexroth, Denso, Fanuc, Festo, Igus, Kawasaki, OnRobots, Pilz, Schunk, Stäubli, Universal Robots und Yaskawa. Die Fragen lauteten, immer bezogen auf Cobots:
Welches waren die letzten prägenden Entwicklungen?
Welche neuen Trends oder wichtigen Neuerungen gibt es?
Welches sind die aktuellen Herausforderungen und welche Schritte müssen folgen um diesen zu begegnen?

Bevor wir zu den Antworten auf diese Fragen kommen, ein kurzer Blick auf die bisherige Entwicklung des Cobot-Marktes: In einer Schweizer Marktübersicht zu verfügbaren Cobots im April 2017, fanden sich mit ABB, Fanuc, Kuka, Stäubli, Universal Robots (UR) und Yaskawa sechs Hersteller mit insgesamt zwölf Modellen. Heute bieten alle wichtigen Roboter-Hersteller einen Cobot an oder tüfteln daran herum und stehen kurz vor dem Markteintritt. Wer damals nur ein Modell vorzeigen konnte, hat dieses für eine weitere Traglastkategorie skaliert, und es sind seither weitere neue Brands in den Markt eingestiegen. Insgesamt existieren heute mindestens 35 bis 40 Cobots.

Welches waren also die wichtigsten bisherigen Entwicklungen? Die gesamte Branche hat natürlich die erwähnte Ausweitung des Angebots und den Markteintritt der neuen Player wahrgenommen und als wichtig bewertet. Einig ist man sich über alle Lager hinweg, dass das Erscheinen der Norm ISO/TS 15 066, welche die sicherheitstechnischen Anforderungen an die Roboter definiert, die Szene entscheidend vorangebracht hat. Der in den Normen definierte Roboter umfasst auch das Werkzeug, das am Roboterarm befestigt wird, sowie die damit bewegten Gegenstände. Grundtenor: Jetzt weiss jeder, wie er die Integration des Cobot in die Lösung umsetzen muss.

Nun zu Trends und Neuerungen. Armin Österle, Applikationsingenieur Robotics bei Fanuc, fasst die Situation so zusammen und deckt damit die Aussagen eines grossen Teils der weiteren TR-Interivewpartner weitgehend ab: «Momentan tut sich technisch nicht viel Neues. Die Hersteller vergrössern ihr Portfolio im Payload-Bereich. Es gibt einen allgemeinen Trend zur Vereinfachung der Programmierung, also zum Setup-geführten so genannten Easy-use. Der wird zwar oft nur mit dem Cobot assoziiert, ist aber ein genereller Trend in der Robotik.»

Fanuc unterstreicht seine Aussage zu den Modellportfolios mit der Europapremiere des neuen kollaborativen Typs CR-14iA/L auf der Messe. Der CR-14iA/L ergänzt die CR-Baureihe, wobei Eigenschaften des kleineren CR-7iA mit denen des grösseren CR-15iA kombiniert wurden. Der Neue realisiert dank leicht modifizierter Mechanik und geänderten Parametern höhere Traglasten bei einer grösseren Reichweite als der CR-7iA. Er bewältigt Lasten bis zu 14 kg bei einer Reichweite bis 820 mm. Die Wiederholgenauigkeit des Sechsachsers liegt bei ± 0,01 mm. 

Etwas anders sieht Elias Knubben, Vice President Corporate Research and Innovation bei Festo, die Situation bei den technischen Neuerungen. Er bezieht sich dabei auf die in Hannover von Festo präsentierte bionische pneumatische Roboterhand «BionicSoftHand». Diese Greifhand ist dem natürlichen Vorbild der menschlichen Hand mit all ihren taktilen und motorischen Fähigkeiten nachempfunden. In Kombination mit dem «BionicSoftArm», einem pneumatischen Leichtbauroboterarm, soll sich die Hand in Zukunft für die Mensch–Roboter-Kollaboration anbieten.

Damit die BionicSoftHand sicher und direkt mit dem Menschen interagieren kann, wird sie pneumatisch betrieben. Ihre Finger bestehen aus flexiblen Balgstrukturen mit Luftkammern. Umschlossen sind die Bälge von einem speziellen 3D-Textilmantel, der sowohl aus elastischen als auch aus hochfesten Fäden gestrickt ist. Damit kann über das Textil genau bestimmt werden, an welchen Stellen die Struktur sich ausdehnt und damit Kraft entfaltet und wo sie an der Ausdehnung gehindert wird. Dadurch ist sie leicht und nachgiebig, aber dennoch in der Lage, Kräfte auszuüben.

Dank einer neu entwickelten kleinen, digital geregelten Ventilinsel, die direkt unterhalb der Hand angebracht ist, müssen die Schläuche zur Ansteuerung der Finger nicht durch den kompletten Roboterarm gezogen werden. So lässt sich die BionicSoftHand mit nur je einem Schlauch für Zuluft und Abluft einfach anschliessen. Proportionale Piezoventile regeln die Bewegungen der Finger präzise.

Kombiniert wird die Hand mit künstlicher Intelligenz KI. Dabei kommt die Methode des Reinforcement Learning zum Einsatz, das Lernen durch Bestärken. Das bedeutet: Statt einer konkreten Handlung, die sie nachahmen muss, bekommt die Hand lediglich ein Ziel vorgegeben. Dieses versucht sie durch Trial-and-Error zu erreichen.

Elias Knubben dazu: «Wir verfolgen mit unseren pneumatischen Konzepten einen eigenen Ansatz und versuchen sehr viel über Nachgiebigkeit zu erreichen. Wir haben gewissermassen die Luft als inhärente Feder im System eingebaut. Heute ist es immer noch so, dass in den allermeisten Fällen mit dem Roboter in der Kooperation eine Kollision vermieden wird. Wenn eine solche stattfindet, hält das System an. In der Zukunft bieten sich uns die pneumatischen Systeme an. Man kann sie, ähnlich wie wenn zwei Menschen zusammenarbeiten, wegdrücken. Ich mache etwas nur mit gerade einmal so viel Steifigkeit, wie nötig ist. Ein Beispiel: Wenn ich als Mensch eine leichte Nutzlast bewegen muss, kann ich das sehr schnell tun aber trotzdem mit geringer Kraft. Ein anderer Mensch kann jederzeit dazwischen fassen, ohne dass etwas passiert. Das ist der Zustand auf den wir hinarbeiten.»

Zu weiteren neuen Trends hält er fest: «Ich glaube, es kommen gerade jetzt oder in absehbarer Zeit Dinge zusammen, die dann eine Art Quantensprung ermöglichen. Seien es Roboter, die viel preisgünstiger sind oder die wie bei uns durch die Pneumatik vom Grundsatz her anders aufgebaut sind. Hinzu kommen Fortschritte bei den Vision-Systemen und in der Sensorik überhaupt. Man kann so das Umfeld viel besser erfassen. Letztlich es ist die KI, die es ermöglicht, dynamisch zu reagieren und vorausschauend zu planen. All diese Dinge sind heute schon spürbar, vereinzelt sichtbar und teilweise im Forschungsstadium.»

Auch beim Sensorspezialisten Pilz ist man am Entwickeln. Pilz zeigte einen funktionierenden, selbst entwickelten Cobot-Sechsgelenker mit Sensorhaut als Studie auf dem Stand. Der soll aber vorest nicht kommerzialisiert werden. Konkreter war das daneben aufgestellte Messgerät für Kollisionswerte, mit dem die Kräfte und der Druck im Kollisionsfall gemessen werden können. Pilz bietet dazu eine selber entwickelte Software an. Das System soll den Kunden dabei unterstützen, die Grenzwerte aus der ISO/TS 15 066 einzuhalten, es wird zum Kauf oder zur Miete angeboten. Der Anwender erhält so letztlich eine einheitliche Dokumentation, die er im Rahmen seiner CE-Kennzeichnung nutzen kann.

Kommen wir zu Frage drei zur Zukunft der Cobots: Welches sind die aktuellen Herausforderungen und welche Schritte müssen noch folgen?

Armin Österle von Fanuc hat eine weitere klare Vorstellung: «Längerfristig müsste der Weg weggehen von der kontrollierten Berührung hin zum intelligenten Roboter oder System, das schon vor der Kollision erfasst, wo sich der Mensch und wo sich der Roboter befindet. Letzterer steuert sich dann selbst entsprechend.»

Generell ist man sich einig, dass Bedienung und Steuerung einfacher werden müssen, um Hürden abzubauen. Helmut Schmid, Geschäftsführer Universal Robots Westeuropa, hat eine klare Vorstellung davon: «Wir haben bei UR ein Ökosystem aufgebaut, über das wir per Plug-and-play dem Endanwender die unterschiedlichsten Komponenten wie Greifer-, Kamerasysteme, Software und Hardware schnell als kostengünstige Lösung anbieten können. Für den Leichtbauroboter braucht es zwar noch einen Partner, den Integrator, aber der Roboter soll für den Anwender so leicht und intuitiv zu bedienen sein wie heute ein Laptop oder Smartphone. Das ist der nächste Schritt der kommen muss. Dort liegt heute noch die Limitierung. Wir müssen die Komplexität aus dem Entwicklungsprozess herausnehmen, also den «Ease-of-use» erreichen; simples Handling und einfache Bedienung sind gefordert. Da ist unsere Vision.»

UR präsentierte in Hannover als Weltpremiere die jüngste Roboter-Generation, die «e-Series». Sie kommt mit integriertem Kraft-Momenten-Sensor und einer neu gestalteten Benutzeroberfläche und ist gemäss ISO 10218-1 zertifiziert. Ihre Sicherheitsfunktionen werden als Kategorie 3 PLd gemäss ISO 13849-1 eingestuft. Damit werden die neuesten ISO-Sicherheitsnormen erfüllt.

Fanuc: sales@fanuc.ch

festo.com

pilz.com

UR: bachmann-ag.com

 



(Bild: iStock)


Festo präsentierte die bionische pneumatische Roboterhand BionicSoftHand. (Bild: Festo)


Der BionicSoftArm von Festo. (Bild: Festo)


Universal Robots UR integriert in der neuen «e-Series» einen Kraft-Momenten-Sensor und eine neu gestaltete Benutzeroberfläche. (Bild: UR)

Meine Meinung

Kuka und die Hannover Messe

In unserer vernetzten Welt schwingt bei jedem Thema die Frage nach dessen Umsetzung in die Online-Welt mit. So auch, wenn es um Messeauftritte geht. Man kann Monsterveranstaltungen wie die Hannover Messe mögen oder nicht, als Anbieter muss man trotz aller Möglichkeiten, die die Social-Media-Kanäle bieten, immer noch physisch präsent sein, wenn man sich nicht Spekulationen aussetzen will. Das aktuelle Beispiel dafür, dass der Schuss fast zwangsläufig nach hinten losgeht, wenn man vom einen aufs andere Jahr fehlt, lieferte in Hannover Anfang April ein wichtiger Player in der Roboterwelt: Kuka, Hersteller der Cobot-Modellreihe LBR Iiwa, hatte seit Jahren auf der weltweit wichtigsten Industriemesse keinen Stand. In den vergangenen Jahren hatte man jeweils rund 800 m2 belegt. Natürlich hatte Kuka schon vorab im letzten Dezember informiert. Man müsse «in Umbruchzeiten alles auf den Prüfstand stellen und neue Formate in Betracht ziehen», liess sich Kuka-Marketingleiter Wilfried Eberhardt in der Presse zitieren. Im Sommer 2019 will Kuka stattdessen seine Kunden exklusiv auf einem Inhouse-Event am Standort DE-Augsburg in persönlichen Gesprächen über Neuheiten informieren. Trotz dieser ausführlichen Erklärungen wurde in den Medien und auf der Messe allenthalben darüber spekuliert, ob der Grund für den Rückzug nicht doch eher darin liege, dass dem chinesischen Mehrheitseigentümer Midea die Standkosten angesichts einer durchzogenen Börsenperformance zu hoch erschienen seien.
Markus Schmid

Cobot-Special

Dieser Trendreport kann nur einen Ausschnitt des Cobot-Marktes beleuchten. Aber er ist der Auftakt zu den Arbeiten am exklusiven Kompendium «Cobots», das zusammen mit der Oktober-Ausgabe der TR am 11.9. erscheint.