Kollaborierende Roboter arbeiten in unmittelbarer Nähe zu Menschen – sogar im Team. Die Interaktion zwischen Mensch und Maschine ist also sehr eng und direkt. Über eine Vielzahl an Sensoren nimmt der Roboter den Menschen wahr und passt seine Bewegungen an ihn an.
Was ist ein Cobot?
Ein Cobot, oder kollaborativer Roboter, ist ein Roboter, der eine Reihe von Sicherheitsmerkmalen und Eigenschaften besitzt, die es ihm ermöglichen, nicht nur in der Nähe von Menschen zu arbeiten, sondern oft auch in Zusammenarbeit mit ihnen.
Seit einigen Jahren drängt eine neue Generation an Robotern auf den Markt, die die Automatisierung von Abläufen bei gleichzeitig geringen Kosten und unkomplizierter Zusammenarbeit mit Menschen ermöglicht: die Cobots. Prof. Dr. Robert Grebner, Präsident der Technischen Hochschule Würzburg-Schweinfurt: „Cobots sind ein wichtiger nächster Schritt auf den Weg in die Automatisierung komplexer Bewegungsabläufe. Überall, wo körperlich anstrengende und monotone Arbeiten stattfinden, werden Cobots die Arbeit für den Menschen erleichtern, indem sie in Arbeitsprozesse integriert werden.“
Um die Sicherheit des Menschen zu gewährleisten, sind quasi die gesamten Cobots eine einzige Mensch-Maschine-Schnittstelle. Denn nahezu jede ihrer Komponenten ist mit Sensorik ausgestattet, um Menschen zu erkennen. So ist es im Gegensatz zu klassischen Robotik-Anwendungen möglich, dass auf Schutzzäune oder ähnliches verzichtet werden kann.
32 Prozent Plus jedes Jahr
Der globale Markt für Cobots wächst von 1,23 Milliarden US-Dollar in 2022 auf 11,04 Milliarden US-Dollar in 2030
Quelle: Grand View Research
Wahrnehmung des Umfelds
So überprüft eine sensible Kraftüberwachung kontinuierlich Drehmoment und Drehzahl der verschiedenen Antriebe. Stößt der Roboter auf ein Hindernis – was auch ein Mensch sein kann – wird sofort die Bewegung gestoppt oder sehr vorsichtig und behutsam weitergeführt. Weitere Sensoren ermöglichen die Wahrnehmung des Umfelds. Die Roboter können so ihre Arbeitsweise frühzeitig anpassen, wenn sich ein Mensch nähert. Beim schwedischen Beleuchtungshersteller Fagerhult Belysning arbeiten zum Beispiel drei Cobots von Motoman. Die Roboter mit jeweils zehn Kilogramm Tragkraft übernehmen unter anderem komplexe Montageschritte. Die Besonderheit: Die Cobots wechseln zwischen klassischem Industrieroboter-Modus mit voller Geschwindigkeit und einem sicheren kollaborativen Modus. Dazu erkennen Sicherheitsscanner, ob sich ein Mitarbeiter dem definierten Sicherheitsbereich nähert und bremsen dann auf ein ungefährliches Tempo herab.
Je näher, desto langsamer
Das Sicherheitssystem „sBot Speed“ von Sick ermöglicht darüber hinaus eine adaptive Wahrnehmung des Umfelds: Durch die Koordination von Laserscanner und Sicherheitssteuerung wird der Roboter kontinuierlich verlangsamt, während sich eine Person weiter in den Arbeitsbereich des Roboters bewegt, bis er schließlich vollständig zum Stillstand kommt. Die Möglichkeit, die Betriebsbedingungen des Roboters automatisch an die Position von Personen im Umfeld anzupassen, schützt vor Unfallgefahren und verbessert gleichzeitig die Produktivität, denn Stillstandszeiten werden reduziert und Arbeitsabläufe optimiert.
Smarte Sicherheitszonen
Einen etwas anderen Ansatz verfolgt ein Forscherteam vom Fraunhofer IWU. Das Team teilte die Wahrnehmungsbereiche des Roboters neu ein – in smarte Zonen. Bei schnelleren Bewegungen „wächst“ eine solche Zone, um ein Kollisionsrisiko mit Menschen auszuschließen. Für die Umfelderfassung kommt dabei Lidar-Sensorik (Light Detection and Ranging), die über gepulstes Laser-Licht Objekte erkennt und kategorisiert, ebenfalls zum Einsatz wie Kameras. Die Kombination von Reaktionszeiten (Lidar: 50 Millisekunden, Kamera: 10 Millisekunden) und Überwachungsbereichen (Lidar: größere Bereiche; Kamera: Nahfeld) erlaubt nun schnellere Bewegungen des Roboters. Zwar muss bei menschlicher Annäherung auch weiterhin das Tempo gedrosselt werden, aber deutlich weniger als bisher: Rund 25 Prozent schnellere Roboterbewegungen bedeuten einen erheblichen Effizienzgewinn.
Sensoren effizient verdrahten
Die zahlreichen Systeme, die für die Sicherheit des Menschen sorgen, erfordern in traditionellen Roboterarchitekturen viele Kabelverbindungen für Sensoren und Aktoren. Deutlich reduzieren lässt sich der Verkabelungsaufwand durch den Einsatz der FSoE-Technologie, oder Fieldbus-Safety over EtherCAT. Fraunhofer IWU, NexCobot und Synapticon haben gemeinsam eine entsprechende Sicherheitsarchitektur entwickelt. Sie ist dezentral ausgelegt und ermöglicht ein sicheres Miteinander von Mensch und Roboter auch dann, wenn sich die Arbeitssituationen dynamisch verändern – bei deutlich reduziertem Verkabelungsaufwand. „Ein intelligentes Sicherheitssystem überwacht die relevanten Bereiche und passt die Robotersteuerung situativ an jede denkbare Interaktion zwischen Mensch und Roboter an“, betont Dr. Mohamad Bdiwi, Teamleiter Kollaborative Robotersysteme am Fraunhofer IWU. Ein weiterer Vorteil: Da die Sicherheit der Bewegungsabläufe direkt an der Antriebsachse überwacht wird, verstreicht deutlich weniger Reaktionszeit.
Handgeführtes Teaching
Doch nicht nur bei der Zusammenarbeit unterscheiden sich Cobots von klassischen Industrierobotern in ihrer Interaktion mit dem Menschen, auch beim Programmieren. Denn auch ein Mensch, der kein Roboter-Experte ist, soll dem Cobot schnell und einfach eine neue Aufgabe „beibringen“ können. Zum einen wird dabei auf grafische Programmiersysteme oder auch Apps für Tablets oder Smartphones gesetzt, die keine spezifische Ausbildung voraussetzen. Vor allem aber lernt der Cobot die Ausführung bestimmter Aufgaben, indem der Mensch ihn buchstäblich an die Hand nimmt: Der Mitarbeiter führt manuell den Roboterarm durch das geforderte Bewegungsprofil. Über zusätzliche Bedienknöpfe „am Handgelenk“ werden die jeweiligen Positionen gespeichert – so muss nicht immer jede Position auf dem Handbedienpanel des Roboters bestätigen werden. Durch das sogenannte handgeführte Teaching ist der Cobot sehr schnell einsatzbereit – Mensch und Maschine arbeiten hier tatsächlich Hand in Hand.
