Kollaborative Robotik

Max Erick Busse-Grawitz (maxon motor ag)

Roboter, die mit Menschen zusammenarbeiten, ihnen unangenehme oder stumpfsinnige Arbeiten abnehmen und auf diese Art den Produktionsprozess ökonomischer gestalten – ein Bedürfnis, das durch kollaborative Roboter, kurz Cobots, befriedigt werden kann. Die Technologie hinkt diesem Bedürfnis aber noch immer hinterher. Deshalb bleibt die kollaborative Robotik lediglich ein Hoffnungsträger.

So sieht es heute aus

Der Begriff «kollaborative Robotik» ist in den Normen ISO 10218 and ISO 15066 griffig definiert und umfasst sporadische oder ständige Zusammenarbeit von Mensch und Roboter. Diese bedingen eine direkte und situative Interaktion: Entweder wird der Roboter langsamer, wenn er in den Arbeitsbereich des Menschen vordringt, oder die Roboteranwendung ist so sicher, dass Cobot und Mensch Hand in Hand arbeiten können. Die grosse Herausforderung ist, Roboteranwendungen gleichzeitig sicher und wirtschaftlich zu machen: Grosse Stückzahlen werden besser von dedizierten Automaten erledigt. Für kleine Stückzahlen ist die Instruktion eines Mitarbeitenden viel günstiger als die Programmierung eines Roboters. Bleiben also nur mittlere Stückzahlen, wo sich Automaten nicht lohnen und Produktionsmitarbeitende zu teuer wären. Das sind heute nur wenige Anwendungen; in den meisten Fällen wären Cobots zu teuer und zu langsam. Dies liegt an den Sicherheitsanforderungen und der verbesserungsfähigen technologischen Reife. Die allgemeinen Sicherheitsanforderungen sind unter anderem in den Normen ISO 13849 oder IEC 62061 sowie ISO 10218-1 und -2 enthalten und in der Norm DIN ISO/TS 15066:2017-04 für die kollaborativen Roboter ausgeführt. Letztere Norm basiert auf Lösungsansätzen, die in der akademischen Forschung bekannt sind, aber bis anhin kaum Eingang in die Industrie gefunden haben. Technologische Lücken gibt es bei der trägheitsarmen, schnellen Kraftkontrolle, bei den dazugehörigen impedanzbasierten Reglerstrategien und deren Umsetzung in einfach programmierbare industrielle Produkte. Fortschritte hingegen gab es in drei Punkten: Eine Kombination aus Sensor und Aktor trifft man in Form von intelligenten Greifern und intelligenter Roboterhaut an. Bei der Software gab es Fortschritte bezüglich der Benutzeroberflächen und auch die Programmierbarkeit ist einfacher geworden. Und es gibt inzwischen mehrere Hersteller, die integrierte Lösungen mit Cobots auf mobilen Plattformen anbieten.

Die Situation in der Schweiz bleibt unverändert: es gibt viele KMU mit kleinen Losgrössen, hoher Varianz und hohen Lohnstückkosten, die daher gute Voraussetzungen für den Einsatz der kollaborativen Robotik haben. Trotzdem finden kollaborative Roboter nur langsam ihren Platz in der Produktion, sowohl in der Schweiz wie auch international. Die Verkaufszahlen für Cobots sind zumindest in der Schweiz rückläufig, es hat eine gewisse Ernüchterung stattgefunden. Der Cobot ist nicht einfach ein intuitiv programmierbarer Arbeitskollegenersatz. Deshalb finden wir heute nach wie vor Cobots in Aufgaben mit niedriger Frequenz wie dem Be- und Entladen von Teilen aus Maschinen. Diese und weitere Aufgaben für Cobots fallen gemeinhin unter die «4D»: dull, dirty, dangerous, disallowed.

Ein Blick in die Zukunft

Interessant wird der Einsatz von Cobots in Zukunft, wenn ein Umdenken stattfindet und für Produkte und Produktionsinfrastruktur ein «Design for Automation» erfolgt. Dies kann zum Beispiel durch geeignete Formgebung und kameragerechte Markierung geschehen. Fakt ist, dass die Schlüsseltechnologien für einen produktiven Einsatz von Cobots zwar stetig, aber nur langsam voranschreiten. Fortschritte sind bei Greifern mit eingebauter Nachgiebigkeit und schneller Kraftmessung, bei der günstigeren und robusteren Objekterkennung und bei der intuitiven Programmierbarkeit zu erwarten. Für diese Themen sollten sich Gross- und Kleinunternehmen vor einem Kaufentscheid mit möglichen Forschungspartnern abstimmen, insbesondere mit den in der kollaborativen Robotik tätigen Fachhochschulen. Diese bieten griffige Ansätze, um Kosten zu reduzieren und die Robustheit des Produktionsprozesses zu erhöhen oder die Möglichkeit, anbieterneutral Roboter zu evaluieren. Langfristige Forschungsthemenkreise sind die intuitive aufgabenbasierte Programmierung und das Hand-in-Hand-Arbeiten von Robotern mit Menschen inklusive Absichtserkennung und entsprechend dynamischer Pfadanpassung.