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Mensch-Roboter-Kooperation

MRK erfolgreich in die Praxis bringen

| Autor / Redakteur: Karin Röhricht / Victoria Sonnenberg

Sinnvolle Arbeitsteilung: Der Roboter trägt die Last und reicht an, der Werker unterstützt ihn beim passgenauen Einsetzen eines Bauteils.
Sinnvolle Arbeitsteilung: Der Roboter trägt die Last und reicht an, der Werker unterstützt ihn beim passgenauen Einsetzen eines Bauteils. (Bild: Arena2036/ Rainer Bez)

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Wie eine erfolgreiche Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) gelingen kann, zeigten die Referenten des 2. Stuttgarter MRK-Anwendertags der Fraunhofer-Institute IPA und IAO.

  • Der 2. Stuttgarter MRK-Anwendertag der Fraunhofer-Institute IPA und IAO zeigte zahlreiche Einsatz- und Umsetzungsmöglichkeiten von MRK-Anwendungen auf.
  • Während einzelne Unternehmen selbstständig und durch „learning by doing“ zu einer rentablen MRK-Anwendung gelangten, ist gerade in größeren Unternehmen ein strukturierter Planungsprozess wichtig.
  • Interessierte Unternehmen finden bei den Fraunhofer-Instituten IPA und IAO Experten, die mit ihrer Technologiekenntnis und Erfahrung gerne dabei helfen, MRK-Projekte zum Erfolg zu führen.

Die Welt der Industrieroboter hat sich in den letzten Jahren verändert. Roboteranlagen bestimmen als starre Monumente noch immer häufig das Layout in der Produktion. Sie sind eingehaust in Zellen und die Arbeitsbereiche von Mensch und Maschine sind streng getrennt. Diese Robotersysteme wird es auch weiterhin geben, weil sie für Produktionen mit hohen Stückzahlen beste Ergebnisse liefern.

Ergänzt werden diese „klassischen“ Roboter heute durch flexible und kooperative Robotersysteme, oftmals sogenannte Leichtbauroboter. Diese lassen sich einfacher in bestehende und sich verändernde Produktionsabläufe integrieren. Dabei werden manche Anwendungen als Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) umgesetzt, bei denen sich Mensch und Roboter entsprechend ihren Fähigkeiten arbeitsteilig ergänzen. Ein Roboter, der in einen MRK-Arbeitsplatz integriert ist, erfordert weniger Raum. Es braucht nur geringe oder keine Abstände zwischen manuellem und automatisiertem Arbeitsplatz. Dies reduziert logistische Aufwände, Zuführ- und Vereinzelungstechnik sowie Transfers von Bauteilen, Werkstücken et cetera. Auch ist weniger Peripherie erforderlich. Steuerung und Sensorik konzentrieren sich auf den Roboter.

Verbesserte Ergonomie

Zugleich verbessert sich die Ergonomie bei der Aufgabenausführung, indem der Roboter die Aufgaben übernimmt, die Ausdauer, Präzision oder eine konstante Kraft-, Positions- und Geschwindigkeitsregelung erfordern. Er kann schwere Bauteile bereitstellen und der Werker führt eine Aufgabe daran aus, die besondere sensorische oder kognitive Fähigkeiten erfordert. Aufgebaut auf mobilen Plattformen werden Robotersysteme zudem ortsflexibel und mehrere Systeme können entsprechend dem Produktionsaufkommen zusammengestellt werden.

Je nach Anwendung überwiegen unterschiedliche Vorteile der MRK und auch die Motivationsgründe der Firmen, die MRK bereits realisiert haben, sind vielfältig. Thomas Pilz, Geschäftsführer des Unternehmens für sichere Automation Pilz, eröffnete den MRK-Anwendertag. Für ihn hat in der Robotik ein Wandel begonnen. Dabei sei nicht die MRK selbst der Erfolgsfaktor, sondern der Einsatz von Robotern auch dort, wo Menschen in der Nähe sind. Die MRK sei also kein Selbstzweck, sondern der Enabler für diese neuen Einsatzgebiete insbesondere auch von Servicerobotern außerhalb der Produktion. Die ISO/TS 15066, die erstmals auch Kraftbegrenzungen für den direkten Kontakt zwischen Mensch und Roboter nennt, sieht er deshalb als Durchbruch für diese „neuen“ Roboter. Einen weiteren Beitrag zu diesem Erfolg leisteten Technologien wie eine einfachere Programmierung oder das freie Robot Operating System ROS für die Programmierung. Letzteres setzt Pilz zum Beispiel mit seinen neuen Roboterarmen ein.

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Die Firmen Schnaithmann, Hofmann Glastechnik, John Deere, Dungs und Badische Stahlwerke präsentierten, warum sie eine MRK-Anwendung anstrebten, wie sie diese planten und umsetzten und wie sie sich in der Praxis bewähren konnte. Die Vorträge machten deutlich, dass alle Etappen einer Realisierung sehr individuell verlaufen und sowohl von Firmen- wie auch von Anwendungscharakteristika abhängen. Mögliche Treiber für MRK sind die Konzeption eines ganz neuen oder die Optimierung eines bestehenden Arbeitsplatzes, der Mangel an Fachkräften, verbesserte Ergonomie und Sicherheit, zum Beispiel auch in einem Stahlwerk, der Bedarf an mehr Flexibilität und Wandlungsfähigkeit und auch der Wunsch, den Anschluss an neue Technologien nicht zu verlieren.

MRK-Unterstützung durch Forschungsprojekte

Mehrere Unternehmen erhielten bei der Realisierung von MRK-Anwendungen Unterstützung durch Forschungsprojekte unter anderem mit dem Fraunhofer-IPA und -IAO. Beide Institute entwickeln Tools und Entscheidungshilfen, die beispielsweise dazu dienen, für MRK geeignete Prozesse zu definieren, den passenden Roboter und die nötige Peripherie auszuwählen sowie die Investitionen abzuschätzen.

Auch bei der Realisierung der Anwendung zeigten sich bei den Unternehmen einige Unterschiede in der Vorgehensweise. Während einzelne Unternehmen eher alleine und vermehrt durch „learning by doing“ zu einer rentablen MRK-Anwendung gelangten, zeigte sich, dass gerade in größeren Unternehmen ein strukturierter Planungsprozess wichtig ist. Dieser muss auch von Beginn an alle eventuellen Gefährdungen berücksichtigen und diese durch geeignete Sicherheitsmaßnahmen so weit wie möglich ausschließen. Manche Firmen nutzen hierfür bereits Simulationen oder auch Augmented-Reality-Technologien.

Ein Beispiel, wie eine solche Anwendung auch bei kniffligen Voraussetzungen erfolgreich realisierbar ist, präsentierte Thomas Koch vom Fraunhofer-IPA. Das Institut entwickelt eine teilautomatisierte Montagestation für das Fügen von drei Bauteilen. Die Station soll frei zugänglich und für MRK geeignet sein, nach dem Schutzprinzip „Kraft- und Leistungsbegrenzung“ nach DIN ISO 10218 ausgelegt sein und eine Zykluszeit von 12 s erfüllen. Um dies umzusetzen, muss der Roboter einerseits transiente, also nicht dauerhafte, und quasistatische Kontaktfälle erkennen können und andererseits trotz der reduzierten Geschwindigkeit die Zykluszeit einhalten.

Roboter mit Sensorhaut

Mithilfe verschiedener Technologien konnte das IPA eine Anwendung realisieren und in der Produktion implementieren, die alle diese Anforderungen erfüllt. Um transiente Kontakte zu detektieren, wurde der Roboter mit einer Sensorhaut versehen. Die Verfahrgeschwindigkeit wurde auf 500 mm/s begrenzt. Um quasistatische Kontakte zu erkennen, erfolgt eine mechanische Kraftkompensation am Endeffektor. Dabei soll der quasistatische in einen transienten Kontakt umgewandelt werden. So kann die Anfahrgeschwindigkeit erhöht und der Klemmzustand einfach aufgelöst werden. Hierfür wurde eine sogenannte „Balanced Decoupling Unit“ (BDU) entwickelt. Diese mechanische Lösung zwischen Roboterflansch und Werkzeug kann auftretende Kräfte detektieren und den Roboter stoppen, die Klemmung aktiv lösen und gleichzeitig die erforderlichen Kräfte und das Verriegeln für das Fügen der Bauteile ermöglichen. Die BDU nutzt hierfür unter anderem Magnete und pneumatische Zylinder und ist zudem eingehaust, um scharfe Kanten zu verdecken und ein Eingreifen des Bedieners zu verhindern.

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Die geforderte Zykluszeit erreicht die Anwendung, indem der Roboter mithilfe eines Laserscanners zwischen autonomem und reduziertem MRK-Modus umschalten kann. Durch diese Kombination der ISO-Schutzprinzipien „Stopp bei Zutritt“ und „Kraft- und Leistungsbegrenzung“ sind durchschnittliche Zyklen von 12 s umsetzbar. Für etwaige Kollisionen wurden mithilfe eines Messaufbaus die biomechanischen Grenzwerte validiert.

Eine besondere Flexibilität bietet ein für MRK geeigneter Roboter auf einer mobilen Plattform. Festo setzt hierfür das Bosch-System „Apas“ als „flexiblen Wanderarbeiter“ ein. Die Anforderungen an eine solche Lösung sind technischer und organisatorischer Art. So müssen beispielsweise die Spannungsversorgung und Kommunikation mit anderen Anlagenkomponenten standardisiert sein und es bedarf Referenzmarken- sowie Datenlesesystemen. Die Integration erfolgte dabei sukzessive: Während anfangs die Zahl der Apas-Systeme identisch mit der Zahl ihrer Einsatzorte war, gab es am Ende dreimal so viele Einsatzorte wie Apas-Systeme, weil diese als mobile Ressource mithilfe von Planungssystemen frei gebucht werden konnten.

Besonders enge Kooperation

Am Ende der Tagung ging es im Vortrag der Firma German Bionics um Exoskelette, also eine besonders enge Form der Kooperation des Roboters mit dem Menschen. Anwender tragen diese mechanischen oder mechatronischen
Systeme direkt am Körper und erhalten Kraftunterstützung bei bestimmten Bewegungen, beispielsweise am Rücken, den Beinen oder Armen. So soll Muskel- und Skeletterkrankungen vorgebeugt werden – insbesondere unter dem Aspekt des demografischen Wandels. Exoskelette bieten entweder passiv also mithilfe von Federn oder Ausgleichsgewichten, oder aktiv mit Sensoren und Aktuatoren und elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Antrieben.

Ein Beispiel für eine solche Technologie ist auch das Stuttgarter Exo-Jacket, eine Exoskelettplattform für Forschungs- und Entwicklungszwecke, die seit 2015 am Fraunhofer-IPA entwickelt wird. Das Exo-Jacket unterstützt die oberen Extremitäten aktiv bei der manuellen Handhabung und insbesondere bei Hebe- und Überkopftätigkeiten. Das aktuellste System, das Stuttgarter Exo-Jacket 2, zielt hauptsächlich auf Anwendungen in der Logistik, wo Arbeiter Gewichte bis zu circa 20 kg im Bereich zwischen Knie- und Schulterhöhe vor dem Körper manuell bewegen. Besonderen Wert legten die Forscher auf die Bewegungsfreiheit des Nutzers.

Insgesamt zeigte die Veranstaltung zahlreiche Einsatz- und Umsetzungsmöglichkeiten von MRK-Anwendungen. Interessierte Unternehmen finden bei den Fraunhofer-Instituten IPA und IAO Experten, die mit ihrer Technologiekenntnis und Erfahrung gerne dabei unterstützen, MRK-Projekte zum Erfolg zu führen.

* Dr. Karin Röhricht ist Redakteurin am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Tel. (7 11) 9 70-38 74, karin.roehricht@ipa.fraunhofer.de

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