Kollaborative Roboter

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Kollaborative Roboter sind Systeme, die entwickelt wurden um eine Zusammenarbeit von Mensch und Roboter zu ermöglichen. So sagt der Begriff kollaborativ (von lat. "co"= mit; "laborare"= arbeiten) weniger über die Bauart des Systemes aus, sondern mehr über seine Ausprägung auf wechselnde Veränderungen in seiner Umwelt reagieren zu können. So können menschliche Mitarbeiter in unmittelbarer Umgebung des Roboters ohne den Einsatz von räumlichen Sicherheitsmaßnahmen arbeiten. Auch wenn es im privaten Umfeld Roboter gibt, die mit Menschen zusammenarbeiten, sind kollaborative Roboter den Industrierobotern untergeordnet. Das liegt an der Definition des Begriffes.

Kollaborativer Roboter der KUKA AG

Eigenschaften

Das auszeichnende Kriterium, das Roboter der kollaborativen Klasse zuordnet, ist die Fähigkeit in unmittelbarer Umgebung von Menschen arbeiten zu können ohne dabei deren Leben zu gefährden. Bei herkömmlichen Robotern geschieht dies in der Regel durch eine räumliche Trennung wie einen Zaun oder einen Schutzraum, in dem der Roboter dann arbeitet. Wird dieser Schutzbereich betreten, schaltet sich die Maschine ab und lässt sich erst wieder hochfahren, wenn die Person den Bereich wieder verlassen hat und meist eine Schutztür oder Lichtschranke quittiert hat. Dieser Besonderheit wird durch spezielle Sensorik und Programmierung ermöglicht. Zum Einen besitzen kollaborative Roboter wesentlich mehr Sensoren zum Erfassen ihrer Umwelt und wissen somit, was sich außerplanmäßig in dem Arbeitsbereich des Roboters aufhält. Dabei handelt es sich um fotosensitive und akustische Sensoren, Entfernungsmesser und Lichtschranken. Zum Anderen ist die Programmierung des Roboters so vorgenommen, dass er sobald sich etwas Unbekanntes in einem definierten Bereich befindet sich die Bewegungsgeschwindigkeit sofort verringert und er seine Bewegungsabläufe den Hindernissen anpasst oder gänzlich einstellt. Dadurch sollen Kollisionen verhindert werden und Unfälle vorgebeugt. Bezüglich der Bauart gibt die Definition keine Aussage, allerdings handelt es sich dabei oft um Gelenkarmroboter. Ein weiteres oft anzutreffendes Spezifikum ist eine mobile Basis mit der sich der Roboter an beliebige Arbeitsplätze bewegen lässt. Auch das trägt zur Vereinigung von manuellen und automatisierten Arbeitsplätzen bei. Ein großer Vorteil der Kollaboration ist, dass der menschliche Mitarbeiter sein Fachwissen einbringen kann und der Roboter die körperlich schwere Arbeit übernehmen kann. Dadurch können die Mitarbeiter in der Produktion beziehungsweise Montage beschäftigt bleiben und die Roboter sind einfacher zu programmieren. Ebenfalls wird reproduzierbaren Prozessen selbst bei kleiner Auflage die Wiederholgenauigkeit massiv erhöht und menschliche Fehler bleiben aus.


Geschichte

Obwohl James Edward Colgate und Michael A. Peshkin 1996 die erste Patentschrift für einen kollaborativen Roboter einreichten, so ist der Vormarsch bislang noch überschaubar. Dies liegt unter anderem daran, dass die Technik sich erst in den letzten 10 Jahren so entwickelt hat, dass sie massentauglich ist. Zum anderen sind diese Roboter leicht eingeschränkt einsetzbar aufgrund von Sicherheitsaspekten. Offizielle Erhebungen über globale Verkaufszahlen gibt es noch nicht, allerdings hat der dänische Hersteller Universal Robots Zahlen bekannt gegeben von 21.000 Einheiten die er weltweit in den Einsatz gebracht hat (Stand: Mai 2018). Da UR nach eigenen Angaben mit 58 % Anteil Marktführer ist, kann diese Zahl als erster Anhaltspunkt genutzt werden. Da erste Hersteller Nachrüstungen für herkömmliche Roboter anbieten wird die Zahl der eingesetzten Einheiten ebenfalls schwierig zu bewerten. Relativ sicher ist allerdings, dass der Kollaboration eine innovative Lösung ist und ein weitreichender Markteinzug zu erwarten ist.

Kollaborativer Roboter der KUKA AG

Sicherheitsaspekte

Die Sicherheitsaspekte von kollaborativen Robotern stellen ganz neue Herausforderungen dar, da altbewährte Konzepte der räumlichen Trennung nicht mehr anwendbar sind. Die überarbeitete Normen für den Umgang und die Anforderungen an die Roboter wurde in den Normen ISO 10218, Teil 1 und 2 und ISO/TS 15066 niedergeschrieben. So ist es beispielsweise notwendig bei einer Annäherung durch Menschen die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters zu reduzieren um schneller auf unvorhergesehene Bewegungen zu reagieren. Allgemein ist die Geschwindigkeit und Kraft bei kollaborierenden Robotern begrenzt worden. Die armähnliche Struktur von Gelenkarmrobotern hilft dabei menschlichen Mitarbeitern die Bewegungsabläufe der Maschine besser deuten zu können. Ebenfalls ist es wichtig, dass bei Handhabungsaufgaben der zu bewegende Gegenstand mit berücksichtigt wird, damit der verlängerte Hebel die Gesundheit nicht gefährdet. Dies kann vor allem bei besonders großen oder schweren Gegenständen problematisch werden. Neben der hochsensiblen Sensorik ist eine weitere zusätzliche Möglichkeit zur Sicherheit beizutragen eine Schutzhaut für den Roboter die Berührungen wahrnimmt und darauf reagiert. Dadurch ist gewährleistet, dass bei einer tatsächlichen Kollision der Roboter einen Not-Stopp ausführen kann.


Programmierung

Die Programmierung von kollaborativen Robotern wird üblicherweise online vorgenommen. Für eine Unterscheidung zuwischen online und offline siehe im Artikel Roboter unter Programmierung. Dabei kommen zwei unterschiedliche Methoden zum Einsatz:

  • Play-Back: Unter der Play-Back-Programmierung versteht man das Anlernen über unter anderem sensitive Oberflächenstrukturen des Roboters, die der Bediener über Berührung vornimmt. Damit zählt das Verfahren auch zum Teach-In, wird aber aufgrund seiner hohen Bedeutung nochmal einzeln aufgeführt. Nach der Programmierung optimiert der Roboter allerdings noch oftmals seine Aufgaben indem er Bewegungsfehler des Menschen wie zittern korrigiert. Dieses Vorgehen wird als Folgeprogrammierung bezeichnet. Lange Zeit war es nicht unüblich für diese Methode ein typspezifisches Vorführmodell zu verwenden, welches sich leichter bewegen lies und über entsprechende Sensorik verfügte. Diese Methodik nennt sich Master-Slave, wobei das Vorführmodell den Master darstellt. Aufgrund der Kollaboration von Mensch und Maschine ist eine solche Sensorik jedoch in jedem Fall notwendig und die Vorführer verlieren zunehmend an Bedeutung.
  • Teach-In: Beim Teach-In wird dem Roboter sein gewünschtes Verhalten "angelernt", indem zum Beispiel Touchpanel oder über Sprache beziehungsweise Gesten Befehle speichert. Diese Variante ist sehr einfach anzuwenden für viele Firmen, aber auch vor allem für nicht fachkundige Privatpersonen aufgrund ihrer Einfachheit. Somit zählen Automaten dieses Verfahrens zu den kollaborierenden Robotern.

Voraussetzung für beide Verfahren, ist eine vorherige offline-Programmierung bei der dem System die Möglichkeiten für die online-Programmierung gegeben werden.


Hersteller


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