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125 Jahre MM Maschinenmarkt

Roboter-Evolution in großen Schritten

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Die Entwicklung des Cobots

In der Zeit, als die Entwicklung von Servicerobotern bereits Fahrt aufgenommen hat, tat sich in der Robotik noch etwas anderes, nicht minder bedeutungsvolles: der Cobot war in seiner Entstehungsphase. Mit ihm wich der Schutzzaun und auf einmal arbeitete der Mensch gemeinsam mit dem kollaborierenden Roboter Hand in Hand.

Universal Robots, ein dänischer Hersteller von flexiblen industriellen Roboterarmen, verkaufte bereits im Dezember 2008 den ersten Cobot UR5 an Linatex, einen dänischen Zulieferer von technischen Kunststoffen und Kautschuk für industrielle Anwendungen. Um seine CNC-Maschinenbeschickung zu automatisieren, tat Linatex etwas bis dato unvorstellbares: Statt den Roboter vom Menschen abgeschirmt in einem Sicherheitskäfig aufzustellen, wie es die Norm für alle Industrieroboter war, setzten sie ihn direkt neben ihren Mitarbeitern ein. Statt externe Programmierer für komplexe Programmierung einzubestellen, konnte Linatex den Roboter alleine und nur über dessen Touchscreen ohne vorherige Programmiererfahrung zu programmieren.

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Robotik wird erschwinglich

Der UR5 Cobot positionierte Universal Robots als neuen bedeutenden Akteur der industriellen Automatisierung und bereitete der Branche den Weg in absolutes Neuland, indem kleine und mittlere Hersteller gezielt angesprochen wurden, die Robotik bisher als zu kostspielig und komplex erachtet hatten.

Auch Kuka sollte erneut mit dem weltweit ersten industrietauglichen Leichtbauroboter LBR iiwa ("Leichtbauroboter", iiwa für "intelligent industrial work assistant“) 2013 eine weitere Robotergeneration entwickeln. Dabei begann die Geschichte des Leichtbauroboters am Institut für Robotik und Mechatronik des DLR mit dem 1995 fertiggestellten DLR-Leichtbauroboter (LBR) I. Wie sein im Jahr 2000 vorgestellter Nachfolger LBR II, war er ein reines Forschungssystem. Die mit diesen beiden Generationen von Leichtbaurobotern gesammelten Erfahrungen flossen in die Entwicklung des 2003 präsentierten LBR III ein. Nachdem der DLR LBR III die Lizensierungsreife erreicht hatte, wurde er im Jahr 2004 an die Kuka Roboter GmbH lizensiert. Diese entwickelte ihn über den Kuka LBR 4 (2008) und Kuka LBR 4+ (2010) und letztendlich zum Kuka LBR iiwa (2013) weiter. Mit dem sensitiven LBR iiwa können Mensch und Roboter in enger Zusammenarbeit hochsensible Aufgaben lösen.

Vier grundsätzliche Schutzprinzipien der MRK

Damit sich der Mensch mit dem Roboter einen Arbeitsraum teilen kann, müssen hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Eine Verletzung des Menschen muss in jedem Fall ausgeschlossen werden. Dazu sind in vier grundsätzlichen Schutzprinzipien der MRK sind in den Normen EN ISO 10218 „Industrieroboter–Sicherheitsanforderungen“ Teil1 und 2 sowie in der ISO/TS 15066 „Robots and robotic devices – Collaborative robots“ detailliert beschrieben.

Zu den vier grundsätzlichen Schutzprinzipien gehören der sicherheitsgerichtete überwachter Stillstand (der Roboter hält an, wenn der Mensch den Arbeitsraum betritt und fährt fort, sobald dieser sich wieder entfernt hat), die Handführung (Roboterbewegung wird vom Mitarbeiter aktiv mit geeigneter Ausrüstung gesteuert), die Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung (Kontakt zwischen Mitarbeiter und in Bewegung befindlichem Roboter wird vom Roboter verhindert) sowie die Leistungs- und Kraftbegrenzung (Kontaktkräfte zwischen Mitarbeiter und Roboter werden technisch auf ein ungefährliches Maß begrenzt).

Vom Sensor zur Roboterhaut

Am Anfang einer MRK-Applikation steht daher immer die Risikobeurteilung. Die Sicherheitskonzepte sind dabei vielfältig von Sensoren bis hin zu einer fühlenden Haut. Da der Roboter nur seine eigenen Bewegung kontrollieren kann und nicht die seines Gegenübers, sind Kollisionen nicht immer vermeidbar. Damit diese weder zu ernsthaften Schäden noch zu Vorurteilen beim Menschen führen, müssen diese kaum wahrnehmbar sein. Bei den Herstellern werden Sicherheitskonzepte sehr individuell umgesetzt.

Während beispielsweise Universal Robots auf die Kraftbegrenzung durch Messung des Motorstroms der einzelnen Achsen setzt, verwendet Fanuc bei seiner auf inzwischen fünf Modelle angewachsenen kollaborativen CR-Roboter-Baureihe statt Sensoren in jedem Gelenk nur einen einzigen Kraft-Momenten-Sensor, der im Sockel der Roboter untergebracht ist.

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Auf der Automatica 2016 präsentierte Comau mit Aura (Advanced Use Robotic Arm) eine innovative Lösung für kollaborative Roboter, die erstmals eine echte Zusammenarbeit zwischen Hochleistungsrobotern und Menschen möglichen sollte. Mit sechs Sicherheitsabstufungen und einem modularen Ansatz unterstützt Aura den Menschen bei der Durchführung manueller Tätigkeiten, und dies mit absoluter Sicherheit und bei vollständiger Nähe ohne irgendeine erforderliche Absperrung. Aura ist flexibel genug, um mit kollaborativen Abläufen jeder Art zurechtzukommen, und kann je nach Bedarf sowohl in einem kollaborativen als auch in einem nicht-kollaborativen High-Speed-Modus benutzt werden. Das System kann über intuitive Schnittstelle leicht programmiert oder vom Bediener manuell geführt werden. Zudem verfügt Aura über leistungsfähige Näherungssensoren, die Bedienerbewegungen erkennen und entsprechend reagieren, um Kollisionen zu vermeiden.

Sensorhaut erkennt Menschen automatisch

Mit einem ähnlichen Sicherheitskonzept wurde der Apas von Bosch konzipiert. Mit seiner einzigartigen Sensorhaut erkennt der Roboter seine menschlichen Kollegen automatisch, sobald sie ihm zu nahe kommen. Noch bevor es zu einer Kollision kommt, stoppt der Apas assistant mobile – und zwar völlig berührungslos. Erst wenn der Mensch den Nahbereich des Roboters wieder verlassen hat, nimmt der Apas assistant mobile seine Arbeit selbstständig wieder auf.

Wer bis dahin glaubte, die geringst mögliche Distanz zum Roboter wäre bereits durch den kollaborierenden beziehungsweise Serviceroboter erreicht, vermutete das Exoskelett weiterhin in der Science-Fiction-Sparte. Dabei ist der Roboter zum Anziehen längst in der Industrie angekommen. Bei den Roboteranzügen handelt sich gewissermaßen um motorisierte Muskeln und Gelenke, die die Bewegungen der Arbeiter unterstützen, ihnen beim Heben, Tragen und Treppensteigen helfen.

Ein Vorreiter für die Industrie ist der Augsburger Robotikspezialist German Bionic Systems, der nach 6-jähriger Forschungs- und Entwicklungszeit Anfang 2018 das erste in Deutschland entwickelte Exoskelett in Serie fertigen ließ. Der Cray X wurde speziell für die manuelle Handhabe von Gütern und Werkzeugen konzipiert und verringert den Kompressionsdruck im unteren Rückenbereich beim Heben schwerer Lasten. Exo- oder Außenskelette verleihen zwar keine Superkräfte, kombinieren dafür aber menschliche Intelligenz mit maschineller Kraft, indem sie die Bewegungen des Trägers unterstützen oder verstärken und so das Risiko von Arbeitsunfällen und überlastungsbedingten Erkrankungen signifikant verringern. Sie kommen dort zum Einsatz, wo menschliche Arbeit nicht sinnvoll durch Vollautomatisierung oder Robotik-Systeme ersetzt werden kann. Hierzu zählen Arbeitsprozesse in der industriellen Produktion, beispielsweise in der Automobilbranche, aber auch körperlich schwere Arbeiten im Baugewerbe, der Logistik oder im Pflegebereich. In einigen Branchen sind Exoskelette schon im Einsatz. Mediziner nutzen sie, um gelähmten Patienten das Gehen zu ermöglichen. Bei Ford tragen Arbeiter Exoskelette um ihre Schultern zu entlasten, wenn sie am Fließband Hunderte Male am Tag dieselbe Armbewegung ausführen.

Was vor fast 60 Jahren vermeintlich träge begann, entwickelte sehr schnell eine derartige Dynamik, wie es kaum eine zweite Branche in der Industrie vermochte. Roboter werden immer günstiger und empfehlen sich mit immer besserer Technik für neue Einsatzfelder. Auch wenn sie derzeit Schnarchen noch nicht von tatsächlichen Anfragen unterscheiden können, so erweisen sie sich als nützlich, egal ob als Wettbewerbsentscheider in der Produktion, als wertvolle Helfer im Servicebereich oder als ergonomische Unterstützung am Arbeitsplatz.

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