Die Mensch-Roboter-Kollaboration entwächst langsam den Kinderschuhen. Erste Normen und Richtlinien weisen den Weg.

Die Mensch-Roboter-Kollaboration entwächst langsam den Kinderschuhen. Erste Normen und Richtlinien weisen den Weg.Fraunhofer IPA

Die Roboter haben die Werkshallen verlassen und unterstützen nun auch Menschen in ihrem Alltag. Menschen und Roboter sollen Aufgaben zunehmend gemeinsam bearbeiten. Konzepte zum intuitiven Einlernen von Bewegungsabläufen sehen vor, dass Menschen nahe an den Roboter herantreten und ihn an die Hand nehmen. Dabei muss sichergestellt sein, dass von den Robotersystemen keine Gefahr für den Nutzer ausgeht. „Sicherheit ist essenziell für die Entwicklung von Robotern. Erst wenn man weiß, dass ein Roboter keinen Menschen gefährdet, kann man darüber diskutieren, wie er den Anwender unterstützen und entlasten kann“, sagt Theo Jacobs, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart. Das Fraunhofer IPA ist seit vielen Jahren an der Entwicklung von Sicherheitsstandards für Serviceroboter im ISO-Normierungsgremium TC 184/SC2 beteiligt. Durch die Mitarbeit in der Normung können die Forscher der Industrie Wissen aus erster Hand für ihre Entwicklungen zur Verfügung stellen und sie bei der Umsetzung neuer, sicherer Serviceroboter-Lösungen unterstützen. „Sicherheitsnormen entwickeln sich ständig weiter. Nur wenn man hier den Überblick hat, kann man konkurrenzfähige Produkte auf den Markt bringen“, erläutert Jacobs.

Der Roboter wird zum Tellerwäscher

Forscher des Fraunhofer IPA haben für Bosch und Siemens Hausgeräte (BSH) ein mobiles Robotersystem entwickelt, das die komplette Bedienung der Geschirrspüler im Rahmen der Qualitätssicherung übernimmt. Im automatisierten Dauerbetrieb werden eine Ladung normierter Schmutz und Reinigungstabs eingefüllt und die Maschine wieder gestartet. Das Thema Sicherheit war dabei eine große Herausforderung, denn um die zur Bedienung der Spüler notwendigen Handgriffe einzulernen, sollen Bediener nah an den Roboter herantreten und diesen auch handführen können. Dies wurde durch den Einsatz eines ergonomisch im Werkzeug integrierten zweistufigen Zustimmtasters erreicht. Während des Einlernens von Bewegungen über das Bedienpanel überwachen Laserscanner an den Ecken der mobilen Basis den Bereich um den Roboter herum. Kommt eine Person dem Roboter zu nahe, werden alle Bewegungen gestoppt. Abhängig davon, ob die mobile Plattform oder der Arm des Roboters bewegt wird, wird dabei zwischen verschiedenen Schutzfeldgrößen umgeschaltet. Ein Pluspunkt des Roboters der Firma Universal Robots zeigte sich, dass der Arm in gewissen Grenzen eigensicher ist und so beispielsweise in einigen Situationen weiter aktiv bleiben kann, während die stärkeren und damit gefährlicheren Achsen der mobilen Roboterplattform abgeschaltet werden müssen.

Kern des Sicherheitskonzepts ist eine Sicher­heitssteuerung von Sick, in der Sen­sordaten und die Signale der Nothaltsysteme zusammenlaufen. Darüber hinaus wurde eine Schnittstelle zum Roboter-­Betriebssystem ROS implementiert, das auf dem mobilen Roboter zum Einsatz kommt. Diese ist so gestaltet, dass Inkonsistenzen und Fehler in der nicht sicherheitsgerichteten Software erkannt werden. Umgekehrt ist jedoch sichergestellt, dass ein Fehler in der Software die Integrität der sicheren Steuerung nicht beeinträchtigt.

Von ruckartig zu geschmeidig: Mit optimierten Bewegungsabläufen lassen sich bei Robotern bis zu 50 % der Energie sparen.

Von ruckartig zu geschmeidig: Mit optimierten Bewegungsabläufen lassen sich bei Robotern bis zu 50 % der Energie sparen.Siemens

Energiesparend bewegen

Fertigungsroboter machen eine Auto­fabrik schnell und effizient – sie verbrauchen aber auch eine Menge Strom. Besonders im Karosserierohbau, wo sehr viele Roboter im Einsatz sind, schlucken sie über die Hälfte der benötigten Energie. Ein Ansatzpunkt zum Sparen liegt in der Steuerung. Roboter bewegen sich heute extrem ruckartig, fahren ihre Arme entlang geraden Linien aus und bremsen bei jeder Richtungsänderung abrupt ab, drehen und beschleunigen wieder. Das kostet viel Antriebsenergie und belastet die Mechanik. Ein Lösungsansatz liegt deswegen in Bewegungsmustern, die weniger Beschleunigungsenergie verbrauchen. Im Rahmen der Innovationsallianz Green Carbody Technologies (Innocat) untersuchte Siemens zusammen mit Volkswagen und der Fraunhofer Gesellschaft die Bewegungsabläufe von Fertigungsrobotern.

Im Labor analysierten die Ingenieure den Energiebedarf eines Roboters für verschiedene Arbeitsschritte. Sie wollten wissen, wie stark Richtungsänderungen den Stromverbrauch beeinflussen und welche Parameter die energetisch besten Bewegungsmuster ergeben. Daraus entstanden neue Algorithmen für ein Simulationsmodell, das optimierte Bewegungsbahnen errechnet. Die Labortests ergaben ein Einsparpotenzial zwischen 10 und 50 % wenn die Roboterarme sich gleichmäßig auf kurvigen Bahnen bewegen. Außerdem werden ihre mechanischen Teile nicht so stark belastet, sodass der Wartungsbedarf sinkt und es zu weniger Stillständen kommt.

Im Autobau ist es außerdem wichtig, dass mehrerer Fertigungsroboter bei den sekundenschnellen Bewegungen reibungslose zusammenspielen. Mehrmonatige Tests unter realen Bedingungen zeigten, dass optimierte Bewegungsmuster auch bis zu 50 % Energie sparen können, wenn die Roboter strenge Taktzeiten einhalten müssen. Derzeit wird ein Software-Modul getestet, das den Stromverbrauch eines Roboters für einen vorgegebenen Arbeitsablauf automatisch programmiert – unter Berücksichtigung des Zusammenspiels mit den benachbarten Maschinen. Siemens plant, ein entsprechendes Modul in seine Planungs-Software Tecnomatix aufzunehmen. Damit kann man existierende Roboter einfach und sicher umprogammieren, und ohne Investionen in Hardware den Energieverbrauch der Fertigung senken.