MRK Hannover Messe 2017: Mensch und Maschine rücken immer näher zusammen. Dies wurde auf der Hannover Messe 2017 in Form der Mensch-Roboter-Kollaboration in vielfältiger Weise sichtbar.

Mensch und Maschine rücken immer näher zusammen. Dies wurde auf der Hannover Messe 2017 in Form der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) in vielfältiger Weise sichtbar. (Bild: Deutsche Messe)

Roboter sind in der Industrie ein alter Hut, doch im Vorfeld der Hannover Messe führte die Deutsche Messe die Cobots (Collaborative Robots) als eines ihrer Leitthemen. Das Ziel der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK): Die Maschine ersetzt den Menschen nicht mehr, sondern ergänzt seine Fähigkeiten und nimmt ihm ergonomisch belastende und ­repetitive Arbeiten ab. Allerdings ist das Konzept der Cobots auch nicht mehr ganz taufrisch. Es entstand bereits im Jahre 1995 im Rahmen eines von der General Motors Foundation initiierten Forschungsprojekts, das Roboter so sicher machen sollte, dass sie buchstäblich Hand in Hand mit Menschen arbeiten konnten. Getreu dem Motto des 1. Robotergesetztes von Isaac Asimov aus seinem Buch ‚Ich, der Roboter‘ von 1950: „Ein Roboter darf kein menschliches Wesen verletzen“.

MRK Hannover Messe 2017:

Ein Beispiel für einen klassischen Roboter: Der mächtige Roboterarm von Fanuc lässt ein Auto durch die Messehalle schweben. Redaktion IEE

Klassische Industrieroboter zeichnen sich durch Kraft und Schnelligkeit aus und führen ihre Tätigkeiten nach einem festen Programm aus – ohne Rücksicht auf umstehende Mitarbeiter; Sicherheitszäune und -schranken verhindern Unfälle. Cobots dagegen läuten die Ära der Freilandhaltung von Robotern ein. Sie sind eigens dafür konstruiert, mit Menschen gemeinsam zu arbeiten. Statt in Käfigen agieren sie in einem kooperativen Arbeitsumfeld, überwacht von Sensoren und 3D-Kamera­systemen. Zudem wurden sie so konzipiert, dass sie auch im Falle eines Kontakts keinen oder möglichst wenig Schaden anrichten, etwa durch eine reduzierte Arbeitsgeschwindigkeit, ­abgerundete Ecken und den Verzicht auf vorstehende Teile. ­Aufgrund dieser Sicherheitsmaßnahmen können sie dem Menschen bei komplexen Aufgaben Seite an Seite assistieren.

Im September 2016 veröffentlichte das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) eine Studie zum Thema MRK, inklusive 25 Anwendungsbeispielen. Die Forscher befragten Firmen, die Leichtbauroboter bereits in der Produktion einsetzen hinsichtlich Einführung, Mitarbeiterakzeptanz und Wirtschaftlichkeit. Das Ergebnis: In allen Gesprächen bestätigten die Unternehmen, dass die Technologie funktioniert. Unsicher waren die Befragten jedoch noch, was beispielsweise Normen und Richtlinien der Arbeitssicherheit betrifft. Zudem ist der Aufwand für den Einsatz ohne Schutzzaun laut Umfrage deutlich höher als anfangs erwartet.

ISO/TS 15066 unterstützt bei der Risikobeurteilung

Im Februar 2016 hatte die internationale Organisation für Normung (ISO) Richtlinien veröffentlicht, welche die Sicherheit von Mitarbeitern in Zusammenarbeit mit Robotersystemen sicher­stellen sollen. Die ISO/TS 15066 unterstützt Systemintegratoren, die Hard- und Software-Produkte in die IT- und Industrie-Landschaft integrieren, bei der Risikobeurteilung zur Einführung von kollaborierenden Robotern. Neben Anforderungen hinsichtlich des Designs und der Risikobeurteilung der Roboterapplikation, beinhaltet die Spezifikation eine Forschungsstudie zum Thema menschliche Schmerzgrenze versus Robotergeschwindigkeit, Belastung und Auswirkungen auf definierte Körperteile. Wichtig sind hier die Schmerzgrenzen, die definieren, ab wann eine Berührung für den Menschen unangenehm wird. So stuft die ISO Berührungspunkte im Gesicht etwa als empfindlicher ein als am Oberarm – daher darf im Gesicht zum Beispiel gar keine Berührung erfolgen.

Die vier Arten der Mensch-Roboter-Kollaboration

Bei der schutzzaunlosen Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter ergeben sich unterschiedliche Anforderungen und Lösungsansätze an die vier Arten der Mensch-Roboter-Kollaboration: Stopp, Handführung, Geschwindigkeits- und Positionsüberwachung sowie Kraft- und Momentenbegrenzung. Auch eine Kombination der Konzepte ist möglich.

  1. 1. Sicherheitsgerichteter überwachter Halt: Beim Zutritt eines Menschen in den Kollaborationsraum stoppt der Roboter. Dieser Stillstand hält solange an, bis der Mitarbeiter den gemeinsamen Arbeitsraum wieder verlassen hat.
    2. Handführung: Die Bewegungen und Kräfte, die der Mensch auf den Roboter ausübt, werden mittels Sensoren in eine Roboterbewegung umgewandelt. Der Roboter wird also komplett durch die Mitarbeiter gesteuert, meist unterstützt durch eine Zustimmungseinrichtung wie einen Dreipunktschalter.
    3. Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung: Der Abstand von Mensch und Roboter wird konstant überwacht. Unterschreitet der Anwender die vorgeschriebene Distanz, reduziert sich die Geschwindigkeit des Roboters bis auf einen Sicherheitshalt.
    4. Leistungs- und Kraftbegrenzung: Das Gefährdungspotenzial des Roboters wird durch die Beschränkung dynamischer Parameter reduziert. So lassen sich die Kontaktkräfte zwischen Mitarbeiter und Roboter technisch auf ein ungefährliches Maß begrenzen.

Der Trend geht hin zum Cobot

MRK Hannover Messe 2017: Der CR-4iA (rechts) ist mit einer Traglast von 4 kg und einer Reichweiter von 550 mm der kleinste unter den grünen FANUC Robotern.

Der CR-4iA (rechts) ist mit einer Traglast von 4 kg und einer Reichweiter von 550 mm der kleinste unter den kollaborativen Fanuc Robotern. Fanuc

Soweit die Theorie: Die Messe in Hannover hat in vielfältiger Weise gezeigt, dass Mensch und Maschine immer näher zusammenrücken und die Zahl der MRK-Applikationen steigen wird.

Verglich man beispielsweise am Messestand des Roboter­herstellers Fanuc die Verteilung von gelben (klassischen) zu grünen (kollaborativen) Robotern, spielen die kollaborativen Varianten bisher allerdings noch eine untergeordnete Rolle. Doch mit dem CR-4iA stellte das Unternehmen sein neues Mitglied der MRK-Reihe vor. Mit der Traglast von 4 kg bei einer Reichweite von 550 mm ist der CR-4iA das kleinste Modell der Serie. Aufgrund der kompakten Bauweise lassen sich die Roboter an der Decke oder Wand montieren und haben dadurch einen ­großen Bewegungsbereich, ohne den Arbeitsplatz des Bedieners einzuschränken. Aufgrund seines Designs kann der Roboter auch auf einer mobilen Plattform montiert werden. Ralf Winkelmann, Geschäftsführer Vertrieb, sieht zudem einen wachsenden Markt für MRK-Applikationen. Laut seiner Prognose entwickeln sich die grünen Maschinen vom Einzel- hin zum Massenprodukt.

Stärken opfern

Bevor sich Anwender für einen MRK-fähigen Roboter entscheiden, müssen sie sich jedoch darüber im Klaren sein, dass sie einen Teil der Stärken eines klassischen Roboters aufgeben, etwa die Geschwindigkeit. Dies gibt Robert Korte, Regional Sales Manager bei Fanuc, zu bedenken. So wollen schätzungsweise 20 % seiner Kunden einen kollaborativen Roboter. Jedoch ist nach seiner Aussage vielen nicht bewusst, dass durch Sicherheitsmaßnahmen die Leistung in einem MRK-Umfeld im Vergleich zu einer klassischen Umgebung sinkt. Gleichzeitig steigt durch die verbaute Sensorik auch der Preis des Roboters, wodurch letztendlich nur etwa jeder zehnte der anfragenden Kunden auch tatsächlich eine MRK-Variante kauft.

Intelligenten Schaumstoff und was es noch auf der Hannover Messe zum Thema MRK zu sehen gab, erfahren Sie auf Seite 2.

Für den richtigen Druck

MRK Hannover Messe 2017: Erweckt mit seinen Rehaugen einen Eindruck vom ‚Kollegen Roboter‘: Der Sawyer von Rethink Robotics.

Erweckt mit seinen Rehaugen einen Eindruck vom ‚Kollegen Roboter‘: Der Sawyer von Rethink Robotics. Redaktion IEE

Bei Rethink Robotics mit ihrem Modell Sawyer erkennen Drehmoment-Sensoren die Kraft, die der Roboter aufwendet, wenn er eine Achse bewegt. Dies ermöglicht zum Beispiel Applikationen, um Teile mit einem definierten Druck kollaborativ zusammen zu stecken. Da dabei ein zu hoher Druck zu Schäden am Bauteil führen könnte, übt der Roboter stets die selbe, parametrierte Kraft auf.

Bei der Programmierung setzt das Unternehmen auf Einfach­heit. Grobe Arbeitsabläufe – also bewege Arm von A nach B und greife Teil X – lassen sich im Teachmodus realisieren. Dabei führt der Anwender den Arm durch die gewünschten Positionen und gibt dem Roboter per Tastendruck Befehle zum Aufnehmen und Ablegen. Für eine detailliertere Steuerung gibt es ‚Behavior Trees‘, um per Display am Roboter beispielsweise die Anzahl der Wiederholungen nach fehlgeschlagenen Greifversuchen zu definieren.

Für ein breites Applikations-Portfolio bietet das Unternehmen seine Greifer der Click Smart-Serie für End-of-Arm-Tooling an. Grundlage ist eine Werkzeugplatte mit integriertem Memory-Modul, das die Konfiguration des verwendeten Endeffektors speichert. Wird die Platte an einen Sawyer-Roboter angeschlossen, erkennt dieser den Typ des Endeffektors. Dabei sind die Greifer-Kits in verschiedenen Variationen erhältlich – als pneumatische Greifer oder Vakuum-Sauggreifer in verschiedenen Größen sowie als Vakuum-Balgsauggreifer. Durch verstellbare Schrauben und Lochschienen lassen sich die Greifer in Größe und Form individuell an Applikationen anpassen.

Carl Palme, Applications Product Manager im Unternehmen, hebt einen Vorteil der MRK hervor: Die Roboter können gefährliche Arbeiten übernehmen, die bislang rein vom Menschen durchgeführt wurden – etwa an einer Biegemaschine – wodurch die Versicherungskosten für das Unternehmen sinken können.

Grenzwerte überwachen

MRK Hannover Messe 2017

Der Sicherheits-Laserscanner Psenscan in Schutzart IP65 ermöglicht eine zweidimensionale Flächenüberwachung mit einem Öffnungswinkel von 275°. Betritt ein Werker den Warnbereich, kann der Laserscanner eine Reaktion der Maschine auslösen, zum Beispiel eine Verlangsamung. Pilz

Pilz hatte zwei neue Komponenten im Gepäck, die sich für MRK-Applikationen einsetzten lassen: Das Kraft- und Druckmesssystem Probms für die Validierung von MRK-Applikationen sowie den Sicherheits-Laserscanner Psenscan, der bis zu drei getrennte Zonen gleichzeitig überwacht.

Das Kraft- und Druckmesssystem gemäß ISO/TS 15066 ist international auf Mietbasis erhältlich. So können Anwender die durch die ISO/TS vorgeschriebenen Grenzwerte für Kraft beziehungs­­weise Druck der Roboterbewegung in ihren Applikationen messen und somit validieren.

Der Sicherheits-Laserscanner in Schutzart IP65 ermöglicht eine zweidimensionale Flächenüberwachung mit einem Öffnungs­winkel von 275° und eignet sich so für Anwendungen, in denen mehrere aneinander­­grenzende Seiten einer Maschine oder eines FTS kontrolliert werden sollen. Zudem lassen sich mit einer Schutzfeldreichweite von 3 bis 5,5 m für den Sicherheitsbereich auch große Flächen mit einem Gerät abdecken. Durch den bis zu 20 m großen Warnbereich kann der Laserscanner eine Person recht­zeitig warnen, beispielsweise durch ein akustisches Signal, oder eine Reaktion der Maschine auslösen, zum Beispiel eine Verlangsamung.

Intelligenter Schaumstoff

MRK Hannover Messe 2017: Der Schaumstoffüberzug ‚Airskin‘ ist mit Sensoren ausgestattet und stoppt die Bewegung des Roboters bei einer Berührung.

Der Schaumstoffüberzug ‚Airskin‘ ist mit Sensoren ausgestattet und stoppt die Bewegung des Roboters bei einer Berührung. Redaktion IEE

Blue Danube Robotics, ein Start-Up aus Wien, präsentierte seine Roboterhaut Airskin, die Druckveränderungen misst. Die Sensorik registriert bereits ein Eindrücken der Polyurethan-Haut von zwei Millimetern und kann dann innerhalb von zehn Millisekunden ein Stoppsignal an den Roboter senden. Stehen die Original-CAD-Modelle zur Verfügung, passt das Unternehmen die 3D-gedruckten Formen der Airskins an jeden gängigen Industrieroboter an. Üblicherweise ist die Haut rund einen Zentimeter dick und ermöglicht PLe. So sind die im Vergleich zu konventionellen Kamera-Sicherheitssystemen kostengünstigeren Airskins eine Alternative, wenn es darum geht, bestehende Industrieroboter-Anlagen für die Mensch-Maschine-Kollaboration zu rüsten. Zumal die Haut auch dort absichert, wo keine Kamera hinschauen kann.

Ob MRK-Roboter immer klein und mechanisch müssen und was das ganze mit dem iPhone zu tun hat, lesen Sie auf Seite 3

Kollaborativer Greifer

MRK Hannover Messe 2017: Nicht nur der Roboter muss kollaborativ sein, sondern auch der Greifer. Diese Idee brachte Schunk den Hermes-Award der Messe Hannover ein.

Nicht nur der Roboter muss kollaborativ sein, sondern auch der Greifer. Diese Idee brachte Schunk den Hermes-Award der Messe Hannover ein. Schunk/Deutsche Messe

Welchen Stellenwert das Thema MRK auf der Hannover Messe inne hatte, beweist der Blick auf die verliehenen Preise. So ging der zweite Platz des Robotik-Awards an die Firma Mayser mit ihrem ‚Ultraschall safety‘, einem Ultraschallsensor für den Personenschutz im Roboterumfeld zur Werkstückabsicherung bei MRK-Applikationen. Den Hermes-Award der Hannover Messe – mit 100 000 Euro Preisgeld einer der höchstdotierten Technologie-Wettbewerbe – gewann die Firma Schunk für ihren kollaborativen Co-act Greifer JL1. Um ihn in einem kollaborativen Umfeld einsetzen zu können, kombiniert das Unternehmen Sensoren und Kameras. So zeigt das Frontdisplay ein Bild der integrierten Kamera, wodurch der Benutzer sieht, was das Greifwerkzeug aufnimmt. Außerdem verfügt der Greifer außen über kapazitive Sensoren und über taktile Sensoren an der Greiffläche. Die äußeren Sensoren erkennen – ähnlich einer Aura – wie nah der Anwender dem Greifer ist und teilt dies in Zonen ein, wobei der Roboter umso langsamer wird, je näher sich eine Person befindet.

Indem sie den Beginn des Greifkraftanstiegs registrieren und analysieren, kontrollieren die taktilen Sensoren die Geometrie eines Bauteils. Durch die Messung des Greifkraftanstiegs überprüft der Sensor zusätzlich die Beschaffenheit des gegriffenen Elements und verifiziert so, dass das korrekte Teil gegriffen wurde.

Es muss nicht immer Mechanik sein

MRK Hannover Messe 2017: Es muss nicht immer mechanisch sein: Der pneumatische Bionic Cobot von Festo hilft bei der Montage von Kleinteilen.

Es muss nicht immer mechanisch sein: Der pneumatische Bionic Cobot von Festo hilft bei der Montage von Kleinteilen. Redaktion IEE

Eigentlich ein Zulieferer für Roboterhersteller, hat Festo sein Know-How in der Pneumatik in die Entwicklung eines eigenen kollaborativen Roboters gesteckt: den Bionic Cobot. Acht Ventile treiben den Roboter an; sieben für die Achsen und eines für den Greifer. Durch die fehlenden Getriebe verringern sich das Gewicht und der Preis des Roboters. In seinen Bewegungsmustern ist der Bionic Cobot dem menschlichen Arm nachempfunden. Er macht sich dabei den Wirkmechanismus ähnlich dem von Bizeps und Trizeps zunutze. Dadurch kann er wie sein biologisches Vorbild feinfühlige Bewegungen ausführen. Ermöglicht wird dies durch die pneumatische Automatisierungsplattform – dem Motion Terminal, die Mechanik, Sensorik sowie Steuerungs- und Messtechnik vereint. Durch das Antriebskonzept lassen sich das Kraftpotenzial und damit auch der Versteifungsgrad des Roboterarms bestimmen. Im Falle einer Kollision gibt der pneumatische Arm automatisch nach.

Sensitiver Riese

MRK Hannover Messe 2017: Keine Berührungsängste: Der Aura von Comau hat eine Traglast von 150 kg und ist vollständig kollaborativ – inklusive Greifer.

Keine Berührungsängste: Der Aura von Comau hat eine Traglast von 150 kg und ist vollständig kollaborativ – inklusive Greifer. Redaktion IEE

Comau vereint mit seinem Aura (Advanced Use Robotic Arm) mehrere Konzepte: Unter dem Motto ‚Humanufacturing‘ zeigte das italienische Unternehmen seinen Roboter mit 150 kg Traglast, der – ähnlich dem Airskin – mit einer schützenden Schaumstoffhaut inklusive Sensoren überzogen ist. Unter dem weichen Schaum liegt eine Schicht mit Berührungssensoren, die Kollisionen detektieren. Als zusätzliche Sicherheit dient eine Schicht mit kapazitiven Sensoren. Diese erkennen, wenn sich ein Mitarbeiter dem Roboter nähert und stoppen ihn, wenn der Bediener den definierten Abstand unterschreitet. Um den Schutz des Menschen weiter zu erhöhen, lässt sich der Roboter mit Laserscannern ausstatten. Das ermöglicht Sicherheitszonen mit angepassten Geschwindigkeiten: Je näher der Werker dem Roboter kommt, umso langsamer wird die Bewegung des Auras.

Der Roboter gehört zum Standard-Portfolio des Unternehmens, wobei nicht nur der Arm an sich mit der zweiten Haut überzogen ist, sondern auch der Greifer. Zurzeit befindet sich das Produkt im Prototypenstatus. Allerdings soll es bis Ende des Jahres frei erhältlich sein. Dann sollen auch weitere kollaborative Varianten folgen, denn das Prinzip des Auras lässt sich auf andere Modelle des Herstellers übertragen. Der Kunde kann dann wählen ob er eine Maschine in der Standard- oder der kollaborativen Variante kauft.

Quo vadis MRK?

Tobias Daniel, Head of Sales & Marketing bei Comau, prophezeit der MRK eine goldene Zukunft. Dabei vergleicht er die Möglichkeiten der Technik sogar mit der Revolution, die das erste Smartphone auslöste: „Hätten Sie gedacht, dass wir durch das iPhone keine Taschenlampe mehr brauchen?“ Für ihn werden in den nächsten Jahren MRK-Applikationen entstehen, die es heute schlichtweg noch nicht gibt, da die Kunden das volle Potenzial erst noch begreifen lernen. Gerade mit den Herausforderungen, die die oft im Zuge der Industrie 4.0 propagierte Losgröße 1 mit sich bringt, geht seiner Meinung nach der Trend hin zum Kollegen Roboter und zurück zur Manufaktur.

Auch wie die Steuerung der Zukunft aussehen könnte, war auf der Messe zu sehen. Universal Robots beispielsweise zeigte Befehle per Berührung. So lässt sich der Roboter durch Antippen vom klassischen in den kollaborativen Modus umschalten, wodurch der Roboter langsamer wird und eine Anzeige an der Maschine die Farbe wechselt. Auch Rethink Robotics verwendet eine haptische Interaktion zwischen Mensch und Maschine: Stößt ein Anwender den Arm beispielsweise zweimal kurz nach oben, erwacht dieser aus seinem Ruhemodus und führt eine mit dieser Geste verknüpfte Bewegung aus.

Auch die Forschung arbeitet an weiteren Möglichkeiten, um Robotern Befehle zu erteilen. Das Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie (IDMT) nimmt das wörtlich und entwickelt eine Sprachsteuerung. Um diese zu demonstrieren, lagen vor einem Roboter unterschiedliche Bauteile. Nach einem Zuruf „Roboter, zeige mir M5-Schrauben“ identifizierte der Roboter den gewünschten Gegenstand, griff danach und zeigte ihn dem Besucher. Laut Danilo Hollosi, Audio System Technology for Assistive Systems, ist dabei auch eine Art Kindersicherung – bekannt aus dem Smart Home-Bereich – denkbar. So könnte nur der zuständige Mitarbeiter den Roboter mit seiner Stimme steuern.

Handfester geht es bei den Fraunhofer-Instituten für Nachrichtentechnik (HHI) sowie Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) zu. Die Forschungsgruppe befasst sich mit einer Gestensteuerung, entweder über einen 3D-Sensor, der die Bewegungen des Benutzers in Befehle für den Roboter übersetzt; oder per 3D-Touchpad, das die Muster, wie der Anwender das Touchpad berührt, auf den Roboter überträgt.

MRK Hannover Messe 2017: Die farbliche Anzeige informiert Anwender, ob der Roboter im klassischen oder im kollaborativen Modus arbeitet. Per Berührung lässt sich die Betriebsart wechseln.

Die farbliche Anzeige informiert Anwender, ob der Roboter im klassischen oder im kollaborativen Modus arbeitet. Per Berührung lässt sich die Betriebsart wechseln. Redaktion IEE

Kein Allheilmittel

Ein Beispiel, das auf der Messe oft zur Sprache kam, verdeutlicht jedoch eine Problematik der MRK: Handhabt ein noch so sicherer Roboter ein Messer, ist eine Kollaboration mit dem Menschen – trotz aller Grenzwerte – unmöglich. Ein Tenor der befragten Aussteller war auch, dass der Anteil der MRK in den nächsten Jahren zunimmt. Bei der Frage nach dem Ausmaß gab es jedoch unterschiedliche Meinungen. Sicherlich werden klassische Industrieroboter ihre Domänen behalten, in denen es auf Kraft und Geschwindigkeit ankommt, ohne dass dabei Menschen involviert sind. Doch genauso sicher ist, dass die MRK ihr derzeitiges Nischendasein verlässt und verstärkt in die Industrie einzieht. So rechnet beispielsweise Helmut Schmid, General Manager Western Europe bei Universal Robots, in den nächsten Jahren mit einem Umsatzwachstum seines auf MRK spezialisierten Unternehmens von 50 %.

Dr. Martin Large

Redaktion IEE

(ml)

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