Roboter Mensch-Roboter-Kooperation als Schlüsseltechnologie in der Fertigung

Wo steht die Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) aktuell? Welche sicherheitstechnischen und wirtschaftlichen Fragen sind zu klären, damit sich effiziente MRK-Anwendungen weiter verbreiten? Dazu diskutierten Experten vom Fraunhofer-IPA sowie aus der Industrie.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Bereits zum achten Mal lud das Fraunhofer-IPA zu dem alle zwei Jahre stattfindenden MRK-Technologieseminar. In den zwei Jahren haben sich die Lösungen bedeutend weiterentwickelt und werden zunehmend als Schlüsseltechnologie in der Fertigung eingesetzt. So hat die Industrierobotik in den letzten Jahren von einem beachtlichen Wachstum profitiert, wie neueste Zahlen der International Federation of Robotics (IFR) belegen. Im Jahr 2014 wurden 229.261 Einheiten verkauft, was einem bisher einzigartigen Wachstum von 29 % entspricht. Entsprechend geht die IFR von einem jährlichen Wachstum von 15 % bis 2018 aus.

Mit MRK neue Märkte erschließen und wirtschaftlicher fertigen

Neben der Automobilbranche ist unter anderem die Elektro- und Elektronikindustrie ein wichtiger Treiber. An diesem Wachstum werden auch MRK-Anwendungen einen beachtlichen Anteil haben, denn sie bieten die zunehmend geforderten Eigenschaften neuartiger Industrieroboter: Flexibilität, intuitive Bedienung, kognitives und reaktives Verhalten sowie Mobilität. Mit MRK können Roboter- und Automatisierungsausrüster neue Märkte erschließen, Endanwender ihre Fertigung wirtschaftlicher gestalten und die Sicherheit und Ergonomie der Arbeitsmittel verbessern sich.

MRK-Anwendungen lassen sich einer der folgenden vier Interaktionsformen zuordnen, die in ISO 10218-1/-2 definiert sind und jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Sicherheitseinrichtungen stellen: Assistenzsysteme zur Kraftunterstützung, Roboter als 'dritte Hand', Programmieren durch Handführen sowie das eigenständige Arbeiten von Roboter und Werker Seite an Seite. Die zu wählende Interaktionsform hängt vom Prozess ab, der teilautomatisiert werden soll. Das Ziel ist immer, diesen aus Sicht von Wirtschaftlichkeit, Ergonomie, Sicherheit oder Arbeitsabläufen zu verbessern. Um dies fundiert beurteilen zu können, haben die Wissenschaftler des Fraunhofer-IPA eine Taxonomie entwickelt. Auf deren Basis können sie Fertigungsprozesse auf ihre MRK-Eignung hin systematisch prüfen und Unternehmen bei der erfolgreichen Umsetzung von MRK-Anwendungen begleiten.

Die Sicherheit einer Anwendung, belegt durch das CE-Zertifikat, ist für die Zulassung unabdingbar. Welche kamerabasierten und 3D-fähigen Lösungen es hier bereits am Markt gibt, zeigte der Vortrag von Dr. Rüdiger Frank von Pilz, dem Anbieter von Sicherheitstechnik für die Automation.

Sicherheit steht allerdings im Spannungsfeld mit der Produktivität einer Anwendung.

Grundsätzlich sind unerwünschte Kontakte zwischen Mensch und Roboter zu vermeiden. Gleichwohl kann es in MRK-Anwendungen zu tolerierten oder erwünschten Kontakten kommen. Diese müssen verletzungsfrei ausgelegt werden, zum Beispiel indem Masse, Geschwindigkeit, Geometrie oder Steifigkeitseigenschaften eines Robotersystems angepasst werden. Eine aktuell zu klärende Problemstellung in Forschung und Entwicklung ist, wie sich ein 'Schaden' klassifizieren und bewerten und überdies modellieren und messen lässt, um hier zu verlässlichen Aussagen auch für die Normung zu gelangen. Zu Beginn des Jahres 2016 wird das ISO-Komitee die ISO/TS 15066 veröffentlichen, die die Sicherheitsanforderungen der oben genannten vier Interaktionsformen spezifiziert. Wissenschaftler des Fraunhofer-IPA haben daran maßgeblich mitgearbeitet und können somit in ihren Projekten immer die neuesten Vorgaben berücksichtigen und in allen Fragen der Sicherheit umfassend beraten.

Robotersysteme für physische und kognitive Interaktion

Auf den diesjährigen Messen hatten sie die Oberhand: Robotersysteme, die speziell für MRK-Anwendungen ausgelegt sind. Im Technologieseminar erfuhren die Teilnehmer Spezifika zu einigen Modellen, die unterschiedliche Bedarfe der Endanwender abdecken. Dr. Peter Heiligensetzer stellte den KR5-SI von MRK-Systeme vor, der sowohl autonomen MRK-Betrieb als auch manuelles Handführen zum Einlernen der Bahnen erlaubt. Dafür ist der Roboter mit dem Safe-Guiding-Funktionspaket ausgestattet, zu dem mehrere Sicherheitsfunktionen wie unter anderem reduzierte Geschwindigkeit, Betriebshalt, Zustimmtaster und die sicherheitsgerichtete Anbindung an die Robotersteuerung zählen. So wird der Roboter zum Produktionsassistenten des Werkers. Dr. Heiligensetzer zeigte ebenfalls auf, wie MRK-Systeme in der Anwendung den Zertifizierungsprozess der Berufsgenossenschaft (BG) durchlaufen.

Fanuc stellte im Frühjahr dieses Jahres den CR-35iA vor. Dafür haben sie, basierend auf den Technologien ihrer bestehenden Modelle, zahlreiche Sicherheitsfunktionen entwickelt und implementiert, wie der Seminarbeitrag von Markus Goos aufzeigte. Dazu zählen beispielsweise ein parametrierbarer Kraftsensor, eine weiche Kunststoffabdeckung, die Geschwindigkeitsbegrenzung und ein sicherer Kontaktstopp. Mit einer Tragkraft von 35 kg ist dieser MRK-fähige Roboter aktuell der leistungsstärkste auf dem Markt. Dadurch eignet er sich unter anderem für die Bauteilpositionierung oder die Maschinenbestückung.

Einen kollaborativen Roboter für das Schweißen stellte Alexander Kuss vom Fraunhofer-IPA vor. Dieser ist im Rahmen des EU-Projekts SMErobotics entstanden, dessen Ziel es ist, Robotersysteme für die speziellen Bedarfe des Mittelstands zu entwickeln. Das bedeutet, dass die Robotersysteme den hohen Flexibilitätsanforderungen wie kleine Losgrößen und schwankende Auslastung in kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) genügen müssen. Die Systeme müssen deshalb intuitiv programmierbar, bedienbar und konfigurierbar sein. Am Beispiel des CoWeldRob, des kollaborativen und kognitiven Schweißassistenten, stellte Kuss die assistierte Programmerstellung vor. Der Programmieraufwand wird minimiert, indem die Software das Programm aus Bauteildaten, Sensorinformationen und menschlichen Eingaben, zum Beispiel durch Handführen oder Gestenerkennung, automatisch erzeugt. Auch intuitive Bedienoberflächen für mobile Endgeräte erleichtern Endanwendern ohne Expertenwissen die Roboterprogrammierung.

Dr. Albrecht Höhne von Kuka führte in eindrucksvollen Animationen die Stärken des sensitiven Leichtbauroboters Kuka iiwa vor und zeigte die Technologien dahinter auf. Dazu gehören zum Beispiel Positons- und Gelenkmomentensensoren in jeder Achse, eine integrierte Sicherheitssteuerung und eine schnelle Reaktivität mit einem Steuerungstakt von einer Millisekunde. Damit kann iiwa den Menschen ungefährlich berühren. Zahlreiche Sicherheitsfunktionen wie u. a. sichere Kollisionserkennung, Kraft- und Geschwindigkeitsüberwachung sowie Arbeits- und Schutzräume erlauben den Einsatz von iiwa in vielfältigen MRK-Anwendungen.

Automobilindustrie als Treiber für MRK

Obwohl der Automatisierungsgrad in der Automobilproduktion bereits hoch ist, gibt es noch immer Fertigungsschritte wie die Montage, in denen viele monotone und physisch belastende Aufgaben manuell ausgeführt werden. Die zu montierenden Komponenten sind vielfältig und erfordern präzise Bewegungsabläufe. Deshalb ist eine Vollautomatisierung noch nicht wirtschaftlich umsetzbar. MRK-Anwendungen spielen dort ihre Vorteile aus, weil sie flexibler und wandlungsfähiger sind und zudem die Werker ergonomisch entlasten können. Dr. Martin Gallinger von Volkswagen nannte weitere Treiber für MRK in der Montage, aber auch der Logistik, wie die Steigerung der Produktivität und Präzision sowie die verbesserte Prozessqualität. Zudem kann MRK die Taktbindung der Mitarbeiter reduzieren: Nicht mehr der Roboter gibt den Takt vor, sondern der Werker. Dr. Gallinger präsentierte mehrere Anwendungsbeispiele für MRK im VW-Konzern, darunter auch bereits sicherheitstechnisch abgenommene mit Robotern von Universal Robot.

Wissenschaft und Industrie sehen MRK als zentrale Technologie für die Umsetzung von Industrie 4.0 und die Produktion der Zukunft. Diese wird zunehmend flexibler werden, Mensch und Maschine werden mehr interagieren. Dies hob auch Thomas Stark von Daimler in seinem Vortrag hervor. Daimler engagiert sich neben weiteren namhaften Partnern im Forschungscampus ARENA2036. Dies ist ein Leuchtturmprojekt in Baden-Württemberg, in dem revolutionäre Produktionsmodelle für das Automobil der Zukunft entwickelt und erprobt werden.

Während heute die Herstellung des Automobils am Band getaktet und fest verkettet ist, wird es morgen entkoppelte, wandlungsfähige und hochintegrierte Produktionssysteme geben, die es erlauben, jeder Fahrzeugvariante den optimalen Fabrikdurchlauf zukommen zu lassen. Im Rahmen der ersten Projektphase haben Wissenschaftler des Fraunhofer-IPA ein Montagemodul entwickelt, das diese Anforderungen einer wandlungsfähigen Produktion erfüllt: Mensch und Roboter arbeiten entsprechend ihren Fähigkeiten zusammen. Dank mobiler Komponenten ist die Montagestation an aktuelle Bedarfe anpassbar.

Thomas Dietz vom Fraunhofer-IPA ging im letzten Vortrag des Seminars auf die Wirtschaftlichkeit von MRK-Anwendungen ein. Die Systematisierung von MRK-Anwendungen erfolgt bisher, wie oben erwähnt, unter dem Aspekt der sicheren Zusammenarbeit. Diese Interaktionsformen haben auch bedeutende Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit einer Anwendung: Wenn die Sicherheitsanforderungen eine Anwendung unwirtschaftlich machen, bietet sie den Unternehmen keinen Mehrwert. Deshalb hat das Fraunhofer-IPA eine Systematik entwickelt, mit der es MRK-Anwendungen nach technischen, organisatorischen und wirtschaftlichen Kriterien schon in der Konzeptionsphase systematisieren und bewerten kann.

Eine MRK-Anwendung wird dabei immer mit der manuellen beziehungsweise der vollautomatisierten Lösung verglichen. Die Stärken beider Varianten sollen für MRK bestmöglich zusammenkommen: Kreative Lösungsfindung, Entscheidungsfähigkeit und Geschicklichkeit aufseiten des Werkers, Wiederholgenauigkeit, Ausdauer/Geschwindigkeit und Traglast aufseiten des Roboters.

Der Hauptvorteil von MRK ist der Gewinn an Handlungsspielraum

Eine MRK-Anwendung ist unter anderem dann wirtschaftlich, wenn sie gegenüber der manuellen Fertigung die variablen Kosten und gegenüber der Vollautomatisierung die Fixkosten für das Robotersystem senkt. MRK kann sich dann rechnen, wenn ein Prozess wandlungsfähig sein soll, die Reaktionsfähigkeit des Werkers einen Mehrwert hat und die Anwendung langfristig nutzbar sein soll. Der Hauptvorteil von MRK ist der Gewinn an Handlungsspielraum, denn eine MRK-Anwendung ist auf einen langfristigen Einsatz unabhängig von Produktzyklen ausgelegt.

Seminarleiterin Oberer-Treitz zeigte abschließend auf, dass der Trend in der Fertigung hin zu kürzeren Produktzyklen und kleineren Losgrößen, wie sie auch im Zuge von Industrie-4.0-Szenarien immer relevanter werden, mit MRK-Anwendungen besser umsetzbar ist. Als Treiber für künftige MRK-Entwicklungen gelten nach wie vor Sicherheitssteuerungen und -sensorik, Leichtbau und Kraftregelung und diese werden durch klare Umsetzungsvorgaben weiter vorangebracht. Neue innovative und MRK-geeignete Robotersysteme werden durch low cost-Komponenten, verbesserte Programmierverfahren mit eingebetteter Prozesssimulation und adaptiver Aufgabenplanung den Return-on-Investment erhöhen. Deshalb sieht Oberer-Treitz MRK als zentrale technische Grundlage für die voranschreitende Automatisierung. MM

* Dr. Karin Röhricht arbeitet als Redakteurin in der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in 70569 Stuttgart, Tel. (07 11) 9 70 38 74, karin.roehricht@ipa.fraunhofer.de; Fachliche Ansprechpartnerin ist Susanne Oberer-Treitz, Tel. (07 11) 9 70 12 79, susanne.oberer-treitz@ipa.fraunhofer.de

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