Mensch-Roboter-Kollaboration: Maschinen werden immer smarter

Mensch-Roboter-Kollaboration

Mensch-Roboter-Kollaboration: Maschinen werden immer smarter

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Intelligente Roboter erobern zunehmend die fertigende Industrie. In vielen Bereichen arbeiten Mensch und Roboter mittlerweile ohne Schutzzäune zusammen. Im Gespräch mit der KEM Konstruktion erklären Experten, wie weit die Roboter-Hersteller in Sachen smarter Maschinen sind, welche Chancen die Mensch-Roboter Kollaboration bietet und welche Herausforderungen noch zu meistern sind.

Interview: Johannes Gillar, stellvertretender Chefredakteur KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Typische Industrieroboter in der Fabrik arbeiten bisher hinter Schutzzäunen um die Bediener zu schützen, was die Interaktion mit dem Werker erschwert bzw. unmöglich macht. Welche Herausforderungen müssen Roboter-Hersteller meistern, um eine gefahrlose Mensch-Roboter Kollaboration zu ermöglichen?

Niels Appel (OnRobot): Selbstverständlich müssen Roboterarme den geltenden Sicherheitsstandards entsprechen. Um Aussagen über die Sicherheit treffen zu können, ist ein Robotersystem jedoch immer als Gesamtinstallation zu betrachten. Auch die Endeffektoren spielen also eine entscheidende Rolle. Die Greifer von On Robot sind absolut MRK-tauglich: Sie besitzen weder scharfe Kanten noch spitze Ecken und sollte die Spannungsversorgung einmal verloren gehen, halten die Greifer Werkstücke zuverlässig weiter. So besteht selbst bei Stromausfall keine Gefahr durch herunterfallende Objekte.

Albrecht Hoene (Kuka): Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration sollen Mensch und Roboter eng zusammenarbeiten und sich mit ihren Stärken ideal ergänzen. Dabei ist das Thema Sicherheit natürlich zentral. Für den Kontakt mit dem Menschen muss ein Roboter seine Geschwindigkeit begrenzen, Kollisionen erkennen und Kräfte auf ein sicheres Maß beschränken können. Der Kuka-Roboter LBR iiwa, der weltweit erste in Serie gefertigte sensitive Leichtbauroboter für die Industrie, verfügt über integrierte Gelenkmomentsensoren, mit denen er die Umwelt sicher „fühlen“, Kollisionen sicher erkennen und Kräfte sicher beschränken kann. Somit ist er für die Zusammenarbeit mit dem Menschen freigegeben.

Niels Jul Jacobsen (Mobile Industrial Robots): Was das Thema MRK konkret in der mobilen Robotik angeht, ist eine autonome Manövrierfähigkeit selbst in dynamischen Umfeldern entscheidend. Denn um gefahrlos neben Mitarbeitern agieren zu können, müssen mobile Roboter in der Lage sein, Menschen und Gegenstände unmittelbar wahrzunehmen und schnell auf sie zu reagieren, indem sie bremsen oder ausweichen. Hierzu sind unsere Roboter beispielsweise mit speziellen Sensorsystemen und Sicherheitsalgorithmen ausgestattet: Damit können sie Hindernisse in einer Entfernung von bis zu acht Metern erkennen und sich sicher in der Umgebung von Menschen bewegen.

Helmut Schmid (Universal Robots): In der Mensch-Roboter-Kollaboration wird das Beste aus zwei Welten zusammengeführt. Mensch und Maschine machen jeweils genau das, was sie am besten können. Grundvoraussetzung dafür ist Sicherheit: Nur wenn eine sichere Zusammenarbeit ohne Schutzumhausung gewährleistet ist, wird ein Arbeitsumfeld geschaffen, in dem Roboter bereitwillig angenommen werden. Die UR-Roboterarme sind als solche als sicher zertifiziert. Wichtig für die Beurteilung der Sicherheit ist aber der Blick auf die Gesamtanwendung, die erst nach einer erfolgreichen Risikobeurteilung als sicher bezeichnet werden kann.

Thomas Suchanek (Yaskawa Europe – Robotics Division): In der ISO/TS 15066 sind die Leistungs- und Kraftbegrenzungen für kollaborierende Roboter festgelegt. Um für alle Kontaktpositionen des Manipulators mit dem Werker präzise Begrenzungen einzustellen, sind sichere Kraftsensoren und Auswerteplatinen notwendig. Eine Überwachung der Kraftbegrenzung durch Messung des Motorstroms der einzelnen Achsen ist hingegen nicht zulässig, solange dies nicht durch zusätzliche Maßnahmen unterstützt wird. Die TS15066 definiert vier Kollaborationsarten – die „Königsklasse“ ist der Kraft- und Leistungsbegrenzungsmodus und dafür sind Kraft- und Momentensensoren für jede Achse bzw. jedes Gelenk aktuell die beste technische Lösung.

KEM Konstruktion: Ein Stichwort bei der Entwicklung sogenannter Cobots (collaborative robots) ist deren Vernetzung mit anderen Systemen. Welche Technologien werden hierbei eingesetzt? Einerseits hinsichtlich auf diesbezüglich zu integrierende Bauelemente wie Sensoren und Bildverarbeitungssysteme, andererseits in Bezug auf die Kommunikation – Stichwort Echtzeitfähigkeit?

Appel (OnRobot): Die Sinneswahrnehmung von Robotern nähert sich der menschlichen immer weiter an. Ein ausgeprägter Tastsinn ist Voraussetzung, um beispielsweise hochpräzise Montagevorgänge zu automatisieren. Kraft-Momenten-Sensorik ermöglicht es Robotern, schon minimale Gegenkräfte zu erkennen und unmittelbar darauf zu reagieren. So können sie auch menschliche Berührungen wahrnehmen. Eine der fortschrittlichsten Technologien sind dabei optische Sensoren, die außerdem robuster sind als solche, die auf Dehnungsmessstreifen basieren.

Hoene (Kuka): Der LBR iiwa von Kuka verfügt über eine Vielzahl von Sensoren, die es ermöglichen, eine große Menge von Prozessdaten zu sammeln – Stichwort Big Data. Im Hinblick auf Vernetzung und Kommunikation setzen wir von Feldbus bis Ethernet auf verschiedene Schnittstellentechnologien. Beim Thema Echtzeitfähigkeit ist eine schnelle Reaktion wichtig, beispielsweise um ein gutes Regelverhalten sicherzustellen, was für dynamische Bahnfahrten und erreichbare Genauigkeiten sehr wichtig ist.

Jacobsen (Mobile Industrial Robots): Prozesse greifen im Kontext der Industrie 4.0 immer stärker ineinander. Wie Sie schon sagen, ist eine effiziente Verzahnung einzelner Systeme deshalb unerlässlich. In unseren Modellen MiR100 und MiR200 sind hierfür verschiedenste Technologien integriert – etwa ein 360-Grad-Scanner, mit dem der Roboter vor dem ersten Einsatz eine Karte seiner Umgebung erstellt. Im laufenden Betrieb lesen dann zwei Flächenscanner und eine 3D-Kamera die aktuelle Position des Roboters kontinuierlich ab. Dies sorgt im Austausch mit der eingebauten Echtzeit-Navigation für einen reibungslosen Einsatz.

Schmid (Universal Robots): Es ist richtig, dass in den meisten Fällen der Roboter nicht für sich alleine zu betrachten ist, sondern sich in einem größeren Zusammenschluss aus verschiedenen Maschinen wiederfindet. In diesen komplexen Systemen ist es unabdingbar, dass die einzelnen Teile untereinander kommunizieren können. UR-Roboter sind daher mit den gängigen Feldbussystemen Profinet und Ethernet/IP ausgestattet und lassen sich somit einfach und unkompliziert in einen solchen Verbund integrieren. Diese Feldbussysteme erfüllen an sich schon die Anforderung einer Echtzeitfähigkeit. Für die Einbindung von Sensoren oder Bildverarbeitungssystemen kann in unseren Roboter eine Socketverbindung oder ein RTDE-Interface (Real Time Data Exchange) verwendet werden. Für diese unterschiedlichen Applikationen können mit Hilfe unserer UR+ Plattform eigenständige Lösungen mit Entwicklern konzipiert werden, um sie einfach über Plug-and-Play mit unserem Roboter zu vernetzen.

Suchanek (Yaskawa Europe): Unser MRK-fähiger Roboter Motoman HC10 mit Steuerung YRC1000 lässt sich über die Schnittstelle MotoLogix im gängigen IEC-61131-Umfeld schnell und unkompliziert über die SPS programmieren und steuern. Aktuell sind dafür neben Profinet für Siemens-Umgebungen auch die Plattformen Ethernet/IP und Powerlink freigegeben. Der nächste Schritt bei der Umsetzung von integrierten Steuerungskonzepten ist dann das vernetzte Management von Anlagen und Prozessen. Mit der völlig neuen Industrie-4.0-Plattform „Yaskawa Cockpit“ haben wir zur Hannover Messe eine entsprechende integrierte und softwarebasierte Lösung vorgestellt. Alle gängigen Schnittstellen der bisherigen Industrierobotersteuerungen sind auch mit der YRC1000 voll umfänglich gegeben.

KEM Konstruktion: Ein weiteres wichtiges Thema in diesem Zusammenhang ist die Lernfähigkeit der neuen Robotergeneration. Ist das einfache Einlernen von Robotern ohne spezielle Programmierkenntnisse tatsächlich schon heute möglich? Oder geht das Thema Lernfähigkeit sogar darüber hinaus – Stichwort „Cognitive Computing“?

Appel (OnRobot): Nur wenn Robotik-Applikationen leicht zu handhaben sind, können sie im Arbeitsalltag eine echte Entlastung darstellen. Unsere Plug-and-Play Greifer lassen sich auch ohne Fachkenntnisse schnell installieren und in die bestehende Produktionsinfrastruktur integrieren. Ihre Steuerung ist so benutzerfreundlich, dass Werker leicht damit interagieren können, was die Akzeptanz gegenüber Cobots ungemein steigert. Das wird mitunter dadurch ermöglicht, dass sie elektrisch statt pneumatisch betrieben werden.

Hoene (Kuka): Ja, das ist durchaus möglich. Den LBR iiwa von Kuka zum Beispiel können auch Werker programmieren, die nicht über spezielle Programmierkenntnisse verfügen – durch einfaches Vormachen. Dabei führt der Bediener den Roboter von Hand in die gewünschten Positionen, während die Koordinaten angefahrener Bahnpunkte im Roboterprogramm gespeichert werden. Auch während des Ablaufs einer Roboterapplikation kann sein menschlicher Kollege die Bewegungen des LBR iiwa intuitiv steuern, beispielsweise durch Berührungen.

Jacobsen (Mobile Industrial Robots): Eine nutzerfreundliche Handhabung ist auf jeden Fall schon heute Realität. Meist sind Robotik-Lösungen so konzipiert, dass tiefgreifende IT-Kenntnisse oder Expertenwissen in Roboterprogrammierung auf Anwenderseite gar nicht erst nötig sind. MiR-Roboter können mit jedem mobilen Endgerät oder Computer über eine webbasierte Benutzeroberfläche intuitiv bedient werden. Nach einer kurzen Lernphase ist damit jeder Nutzer in der Lage, die mobilen Helfer schnell einzurichten und ihnen Befehle zu erteilen.

Schmid (Universal Robots): Seit Gründung von Universal Robots ist eine der Kernanforderungen an unser Produkt, Robotertechnik für jedermann zugänglich zu machen. Hierzu zählt nicht nur ein bezahlbarer Preis, sondern auch die Möglichkeit, einen Roboter selbst zu integrieren und zu programmieren. Die Industrie muss wegkommen von komplexen Programmierungen in Hochsprachen, die ein Nutzer ohne Fachkenntnisse nicht versteht. Hier sind wir mit unseren Produkten seit Jahren Vorreiter: Unsere Roboter lassen sich per Handführung programmieren und intuitiv steuern.

Suchanek (Yaskawa Europe): Über die Sicherheitsaspekte hinaus stand bei der Konzeption des Motoman HC10 eine besonders nutzerfreundliche Bedienung im Fokus. Eine Programmierung kann optional über den „Easy Teaching HUB“ direkt am Roboter erfolgen. Und stoppt der Roboter bei einem spezifisch eingestellten Kontakt, kann die Bewegung direkt am Manipulator wieder aktiviert werden. Die Entwicklung intuitiver Bewegungssteuerungen wird zurzeit intensiv vorangetrieben und an der Integration dieser Steuerungen in die nächste Generation von sicheren kollaborativen Robotern gearbeitet.

KEM Konstruktion: In Zukunft sollen selbstlernende Roboter autonom bestimmte Aufgaben erfüllen. Letztendlich ist man damit beim Thema Künstliche Intelligenz. Wie weit ist die Roboter-Industrie bei diesem Thema – im Allgemeinen und Ihre Firma im Speziellen?

Appel (OnRobot): Künstliche Intelligenz ist zweifelsfrei ein wichtiges Zukunftsthema für die Robotik, jedoch kein Feld, in dem wir uns als On Robot derzeit betätigen.

Hoene (Kuka): In Zukunft ist es in der Robotik absehbar, dass sich mithilfe von KI neue Aufgabenstellungen automatisieren lassen, ohne dass diese Schritt für Schritt programmiert werden müssten. Wunder sollte man allerdings nicht erwarten. Wir bieten intelligente Maschinen, die den Menschen unterstützen. Ein für Kuka relevanter Bereich ist dabei das sogenannte maschinelle Lernen – ein Oberbegriff für die künstliche Generierung von Daten. Werden diese Daten gesammelt, überwacht und analysiert, kann die Maschine Muster erkennen, daraus lernen, Abläufe verbessern und flexibler im Einsatz werden.

Jacobsen (Mobile Industrial Robots): In der immer engeren Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine sehen wir einen richtungsweisenden Trend. Dabei spielt das Thema KI eine Schlüsselrolle, denn dank entsprechender Technologien können Roboter auch in komplexen Umgebungen intelligent und eigenständig operieren. Diesen Fortschritt machen auch wir bei MiR uns zunutze: Die neuen Generationen unserer Roboter werden zunehmend lernfähiger und interagieren stärker mit ihren menschlichen Kollegen. Dies ist entscheidend, denn je mehr der Roboter erkennt und versteht, desto effektiver kann er den Mitarbeiter letztlich bei seiner Arbeit unterstützen.

Schmid (Universal Robots): Die Frage ist hier nicht, wie weit die technischen Möglichkeiten fortgeschritten sind – technisch realisierbar ist in diesem Bereich schon sehr viel. Es muss eher die Frage gestellt werden, ob die Gesellschaft schon weit genug für diesen Schritt ist. Alleine die bisherige Normungslage macht die Nutzung solcher Systeme sehr schwierig bis unmöglich. Nehmen Sie beispielsweise eine einfache Risikobeurteilung, in welcher immer die bestimmungsgemäße Verwendung einer Maschine definiert, alle Risiken im Rahmen eines Tasks untersucht und validiert werden müssen. Dies wird so gut wie unmöglich, wenn ein lernfähiger Roboter seine Aufgabe ständig anpasst und verändert oder selbstständig neue Aufgaben übernimmt. Für solche Techniken müssten also zuerst einmal erhebliche Veränderungen in der bestehenden Normungslage erfolgen. Damit diese Veränderungen der Norm möglich werden, muss erst ein Umdenken innerhalb der Gesellschaft stattfinden. Da diese Grundvoraussetzungen aber noch nicht geschaffen sind, finden die Entwicklung und Untersuchung der Möglichkeiten bislang hauptsächlich im Forschungsbereich statt.

Suchanek (Yaskawa Europe): Weiter in die Zukunft geblickt, führt wohl auch in unserer Branche kein Weg am Einzug der künstlichen Intelligenz vorbei. Im Zuge der weltweiten Unternehmensstrategie „Vision 2025“ schließt Yaskawa aktuell weltweit Vereinbarungen mit Start-up-Unternehmen rund um das Internet der Dinge (IoT) und Künstliche Intelligenz (AI), aktuell zum Beispiel mit der japanischen Firma XCompass Ltd., einem u. a. auf künstliche Intelligenz fokussiertes Start-up. Ziel dieser Kooperationen ist es, die bisherigen Hauptgeschäftsbereiche sinnvoll und zukunftsorientiert zu erweitern. Dafür investierte das Unternehmen in den letzten drei Geschäftsjahren weltweit rund 2 Mrd. Yen (14,85 Mio. Euro).

www.kuka.com

www.mobile-industrial-robots.com

www.onrobot.com

www.yaskawa.eu.com

www.universal-robots.com/de/

Details zum Thema Service-Robotik (engl.):

http://hier.pro/8vAeH


„Um Aussagen über die Sicherheit zu treffen, ist ein Robotersystem immer als Gesamtinstallation zu betrachten.“

Niels Appel, CCO, On Robot
Bild: On Robot

„Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration sollen Mensch und Roboter eng zusammenarbeiten und sich mit ihren Stärken ideal ergänzen. Dabei ist das Thema Sicherheit natürlich zentral.“

Albrecht Hoene, F&E Director Human Robot Collaboration, Kuka
Bild: Kuka

„Meist sind Robotik-Lösungen so konzipiert, dass tiefgreifende IT-Kenntnisse oder Expertenwissen in Roboterprogrammierung auf Anwenderseite gar nicht erst nötig sind.“

Niels Jul Jacobsen, CSO & Gründer, Mobile Industrial Robots
Bild: Mobile Industrial Robots

„Seit Gründung von Universal Robots ist eine der Kernanforderungen an unser Produkt, Robotertechnik für jedermann zugänglich zu machen.“

Helmut Schmid, Geschäftsführer der Universal Robots (Germany) und General Manager Western Europe
Bild: David Klein/Konradin Mediengruppe

„Unser MRK-fähiger Roboter Motoman HC10 mit Steuerung YRC1000 lässt sich über die Schnittstelle MotoLogix im gängigen IEC-61131-Umfeld unkompliziert über die SPS programmieren und steuern.“

Thomas Suchanek, Manager Technical Documentation Safety, Yaskawa Europe – Robotics Division
Bild: Yaskawa
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