Cobots: Teamwork von Mensch und Maschine

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Sie führen nicht nur programmierte Prozesse aus, sondern reagieren auch auf den Menschen: Kollaborative Roboter (Cobots) mit leistungsfähiger Sensorik eröffnen neue Formen der Zusammenarbeit in der Produktion und im Service.

Bis zum Jahr 2020 soll die Anzahl der Industrieroboter von derzeit 1,8 Millionen auf drei Millionen weltweit ansteigen, prognostiziert der Weltroboterverband International Federation of Robotics (IFR). Der mit Abstand größte Robotermarkt ist China. Die stärksten Zuwächse verzeichnen Japan, Südkorea und Deutschland. In Südkorea kommen auf 10.000 Industriebeschäftigte bereits mehr als 600 Roboter. In Deutschland stehen 10.000 Fabrikarbeitern 309 Roboter gegenüber. In der Autobranche ist sogar jeder zehnte Mitarbeiter ein Blechkamerad – Tendenz steigend.

Vom Greifarm zum Arbeitskumpel

Herkömmliche Industrieroboter haben jedoch Konkurrenz bekommen. Die Vollautomatisierung ist in vielen Industrienationen inzwischen weit vorangeschritten. Großes Wachstumspotenzial birgt hingegen die Teilautomatisierung, insbesondere in Gestalt der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK).

Kollaborative Roboter – sogenannte Cobots – sind in allen Industriezweigen auf dem Vormarsch. Anders als klassische Industrieroboter, die in abgeschotteten Bereichen ihre Arbeit verrichten, teilen sich in MRK-Szenarien Mensch und Roboter einen Arbeitsraum ohne trennende Schutzeinrichtung. Cobots werden in die bestehende Produktionslinie integriert und unterstützen die Arbeit der Mitarbeiter. Oft stehen sie dabei auch in physischem Kontakt mit ihren menschlichen Kollegen.

Erst seit Roboter mit Hilfe intelligenter Sensoren ihre Umgebung – zum Beispiel Bewegungen von Personen – wahrnehmen und auf Veränderungen reagieren, können sie mit Menschen interagieren.

Ebenso haben Fortschritte in der Materialtechnik und im Halbleiterbereich und zunehmende Rechenleistung die kollaborativen Robotik in den letzten Jahren stark vorangebracht. Neue Impulse erfährt sie auch durch biologisch inspirierte Technologien. Soft-Robotik setzt auf weiche, organische Strukturen und versucht Bewegungsabläufen aus der belebten Natur zu imitieren.

Intelligente Arbeitsteilung

MRK-Applikationen kombinieren menschliche Fähigkeiten wie Erfahrung, Lernfähigkeit, Entscheidungsvermögen, Flexibilität und Improvisation mit Roboterstärken wie Kraft, Präzision und Geschwindigkeit. Während die Kollegen aus Stahl monotone und körperlich anstrengende oder gesundheitsgefährdende Tätigkeiten verrichten, kann der Mensch sich auf andere Aufgaben konzentrieren.

Bei Audi, beispielsweise, unterstützt eine Klebstoffapplikation mit Roboter-Assistenz – kurz KLARA – die Mitarbeiter beim Einbau von CFK-Dächern in Coupés. Der Roboter erkennt die Berührung eines Menschen und hält im Gefährdungsfall automatisch an. Eventuelle Störungen signalisiert der Cobot, indem sich sein Leuchtring rot färbt. In den Produktionshallen vieler Fahrzeughersteller reichen Knickarmroboter den Facharbeitern Werkzeuge für komplexe Einbauten an. Daimler setzt Leichtbauroboterarme in der Achsfertigung ein.

Sicherheitstechnologie und Normen statt Schutzzaun

Wenn Mensch und Industrieroboter auf engstem Raum zusammenarbeiten, gelten strenge Sicherheitsbestimmungen, um das Verletzungsrisiko für den Menschen zu minimieren. Anders als bei herkömmlichen, umhausten Roboteranwendungen sind bei MRK-Anwendungen Berührungen zwischen Maschine und Mensch erlaubt. Sie dürfen jedoch nicht zu Verletzungen führen.

Zu den wichtigsten technischen Voraussetzungen für ein sicheres Miteinander gehören intelligente Sensoren, eine zuverlässige Steuerung des Roboters und sichere Antriebsfunktionen. Darüber hinaus definiert eine Vielzahl von Normen, Richtlinien und Spezifikationen die Anlagensicherheit. Die Anforderungen an eine sichere Robotik im industriellen Umfeld beschreiben die Normen ISO 10218 „Safety of Industrial Robots“ Teil 1: „Robots“ und Teil 2: „Robot systems and integration“. Sie sind in deutschen Fassungen als EN ISO 10218-1:2011 und EN ISO 10218-2:2011 verfügbar.

Die technische Spezifikation ISO/TS 15066 „Robots and Robotic Devices – Collaborative industrial robots“, die seit 2016 die C-Norm EN ISO 10218 erweitert, hilft dabei, sichere MRK-Anwendungen zu realisieren: Mit entsprechenden Sicherheitskonzepten lassen sich vier Cobot-Betriebmodi – von der Koexistenz bis zur Kollaboration – realisieren: Beim „sicherheitsbewerteten überwachten Stillstand“ kommt der Cobot sofort zum Stillstand, wenn eine Person seinen Arbeitsareal betritt.

Bei der „Handführung“ steuert der Mensch den Roboter manuell, etwa durch einen Joystick, und hat so stets volle Kontrolle. Im Modus „Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung“ überwachen Sensoren den Abstand zwischen Mensch und Roboter und passen die Geschwindigkeit des Roboters entsprechend an. Wird der Sicherheitsabstand unterschritten, bewegt sich der Roboter automatisch langsamer.

Eine Kollision zwischen Mensch und Maschine ist in diesen drei Betriebsmodi also prinzipiell ausgeschlossen. Anders sieht das im Betriebsmodus „Leistungs- und Kraftbegrenzung“ aus. Das ist die kollaborative Robotik im engeren Sinn – die Königsdisziplin, in der Mensch und Maschine direkt zusammenarbeiten, ohne sich gegenseitig zu ramponieren. Der Mensch betritt den Arbeitsraum des Roboters während sich dieser bewegt, wobei ein Kontakt – beabsichtigt oder versehentlich –zwischen Mensch und Roboter möglich ist. Bei dieser Betriebsart ist eine sensorische, mechanische oder elektronische Begrenzung von Kraft und Druck bei einer Kollision unter Anwendung des „Kräfteatlas“ der ISO/TS15066 sicherzustellen.

Das Körperzonenmodell: Wie hart darf ein Cobot „zuschlagen“?

Kollisionen können durch verschiedene Maßnahmen abgemildert werden. Die wichtigste Präventivmaßnahme ist die Reduzierung der Roboterbewegung. Das heißt, die Dynamik und Kraft der Roboterbewegungen wird stark eingeschränkt, sodass er in keinem Fall eine Gefahr für den Menschen darstellt. Um einer Verletzung sensibler Köperregionen vorzubeugen, lässt sich die Bewegungsbahn entsprechend anpassen. Zudem kann man den Schutz durch das Abrunden von Ecken und Kanten, Polsterungen und große Kontaktflächen erhöhen.

Letztlich muss jedoch per Messverfahren ermittelt werden, ob eventuelle Kollisionen Schmerzen verursachen oder gar zu Verletzungen führen können. Den zulässigen Schmerz bei Kollision regelt die ISO/TS 15066. Anhang A dieser Norm enthält ein Körperzonenmodell mit 29 Köperbereichen. Zu allen Körperpartien wie Kopf, Hand oder Bein sind die Belastungsgrenzwerte bzw. Schmerzschwellenwerten in Hinblick auf Kraft und Druck angegeben. Die Körperregion mit den niedrigsten zulässigen Kollisionswerten ist das Gesicht. Die maximal zulässige Krafteinwirkung beträgt hier 65 Newton. Der Druck darf 110 N/cm2 nicht überschreiten. Der biomechanische Grenzwert für die Zeigefingerkuppe ist mit 300 N/cm2 deutlich höher.

CE-Kennzeichnung durch Anwender

Laut Maschinenrichtlinie 2006/42/EG ist ein Roboter ist eine unvollständige Maschine. Erst durch das für die Anwendung erforderliche Werkzeug erhält das Robotersystem seinen Zweck und gilt dann als vollständige Maschine. Der Anwender oder Integrator wird damit zum Hersteller der Maschine und ist für die CE-Kennzeichnung samt Sicherheitsprüfung zuständig. Die Anforderungen an das Sicherheitskonzept hängen immer von der jeweiligen Anwendung ab. Zusätzlich zu den Gefahren, die vom Roboter ausgehen, müssen spontane, unkalkulierbare Bewegungen des Menschen in Betracht gezogen werden.

Serviceroboter boomen weltweit

Noch dominieren Industrieroboter. Branchenbeobachter gehen jedoch davon aus, dass in wenigen Jahren die Servicerobotik die Industrierobotik überholen wird. Für professionell genutzte Service-Roboter erwartet die International Federation of Robotics ein durchschnittliches Umsatzwachstum zwischen 20 und 25 Prozent pro Jahr bis 2020. Zu den interessantesten Anwendungsgebieten in diesem Segment gehören neben Logistik und Landwirtschaft die Bereiche Medizin, Pflege und Rehabilitaion.

Bei Schlaganfallpatienten, beispielsweise, können bestimmte Gehirnregionen die Aufgaben anderer, ausgefallener Gehirnareale übernehmen. Dazu müssen Bewegungsabläufe bis zu 40.000 Mal wiederholt werden. Hier könnten Service-Roboter anstelle menschlicher Physiotherapeuten die Patienten daheim trainieren. Zu den professionellen Service-Robotik-Anwendungen werden immer häufiger auch Exoskelette gezählt. Im privaten Nutzungsbereich rechnet der IFR mit einem Umsatzanstieg zwischen 30 und 35 Prozent pro Jahr. Massenprodukte beschränken sich hier derzeit auf die Bereiche Staubsaugen, Rasenmähen und Edutainment.

Kollaborative Robotik verändert Berufsbilder

Nehmen Roboter und Cobots dem Menschen die Arbeit weg? Nach Schätzung des Instituts für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung (IAB) der Bundesagentur für Arbeit wird der Übergang zur Industrie 4.0 in Deutschland bis 2025 rund 490. 000 traditionelle Arbeitsplätze vernichten. Gleichzeitig sollen aber durch die Produktivitätszuwächse infolge der Automatisierung 430.000 neue Jobs entstehen. In jedem Fall wird der zunehmende Einsatz von Robotern in Produktionsprozessen die Berufsbilder verändern. Einerseits wird der Mensch entlastet. Andererseits wird er in permanent in sehr kurzen Zeitintervallen Neues hinzulernen müssen, um mit dem hohen Innovationstempo Schritt zu halten.

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