Die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) in gemeinsam genutzten Arbeitsräumen steht vor dem Durchbruch. Hauptanliegen sind die Verbesserung der Ergonomie, die Flexibilisierung von Arbeitsprozessen, die Steigerung der Effizienz sowie die Optimierung von Logistik-, Handhabungs- und Beladungsprozessen. Zwei wesentliche Stoßrichtungen sind derzeit im Kontext von MRK erkennbar:
Zum einen boomt die Leichtbaurobotik. Eine Reihe von Unternehmen haben Anwendungsdemonstrationen und Tests im Vorserienumfeld gestartet und sammeln aktuell Erfahrungen. Zugleich drängen neue Anbieter von Robotertechnik auf den Markt und bewirken einen intensiven Wettbewerb. Vor allem die Montage-Assistenz, der 3C-Markt (Computer, Communications, Consumer) sowie der asiatische Wirtschaftsraum beflügeln die aktuelle Debatte. In der Konsequenz arbeiten alle Anbieter an Gewichts-, Kosten- und Leistungsoptimierungen. 

Zum anderen zeigt sich infolge des Fachkräftemangels und der demografischen Entwicklung, dass die ergonomische Entlastung von Werkern immer stärker in den Fokus rückt. Das betrifft insbesondere anspruchsvolle Montage-Umgebungen beispielsweise in der Getriebeherstellung. Bei der kollaborativen Teilautomatisierung von Prozess-ketten übernimmt der Mensch weiterhin die zentralen Füge- und Führungsaufgaben. Zugleich wird er von Robotern unterstützt, die die auftretenden Lasten aufnehmen. Dabei geht es vor allem um Handhabungsgewichte im mittleren Lastbereich. Hierfür sind kollaborationsfähige End-of-Arm-Tools gefragt, die in der Lage sind, unterschiedliche Lasten im Bereich von bis zu 2 kg im unmittelbaren Zusammenspiel mit dem Menschen zu handhaben. Gängige Lösungsstrategien bei inhärent sicheren MRK-Greifern – wie harmonisch geformte Schutzhüllen ohne scharfe Ecken und Kanten sowie die Begrenzung der Greifkraft auf 140 N – stoßen bei derartigen Szenarien allerdings an Grenzen: Zum einen verfügen diese nicht über die entsprechende Greifkraft, zum anderen fehlt ihnen die Flexibilität beim Hub.

Genau hier setzt der Großhubgreifer ‚Co-act EGL-C‘ an, den Schunk zur Hannover Messe vorstellt. Er erzielt Greifkräfte bis 450 N und kombiniert diese mit einem Hub von 42,5 mm pro Finger. Damit eröffnet das intelligente 24-V-Kraftpaket neue Spielräume beim kollaborativen Handling von Werkstückgewichten bis 2,25 kg. Bis Ende 2019 soll er mit einem DGUV-Zertifikat für den kollaborierenden Betrieb sowie mit Schnittstellen unter anderem für MRK-Roboter von Kuka, Yaskawa, Fanuc, Universal Robots und Nachi in Serie auf den Markt kommen.
 

Kombinierte Kraft- und Wegmessung

Um trotz der hohen Greifkraft die in der ISO/TS 15066 definierten biomechanischen Grenzwerte einzuhalten, ist der Greifer mit einer kombinierten Kraft- und Wegmessung ausgestattet: In die Grundbacken integrierte Kraftmessbacken sowie Inkrementalgeber überwachen permanent die jeweilige Greifkraft sowie die Position der Greiferfinger. Die auf dem Greifer abgelegte Greifprozedur ist in mehrere Phasen unterteilt: Bis zu einer theoretischen Distanz von 4 mm zum geteachten Werkstück – deutlich weniger als die Dicke eines Fingers also – ist die Greifkraft auf 30 N begrenzt. Kommt es in dieser Annäherungsphase zu einer Kollision, etwa mit der Hand des Bedieners, geht der Greifer sofort in den sicheren Halt, ohne dass die Gefahr einer Verletzung besteht.

Kraftvoll zupacken in der Mensch-Roboter-Kollaboration: Der Co-act EGL-C ist der erste Großhubgreifer für kollaborierende Anwendungen.

© Schunk

Erst in der zweiten Phase – also bei einer Werkstückdistanz <4 mm – fahren die Finger mit der frei definierbaren Maximalkraft von bis zu 450 N zu. Misst das System in dieser Schließphase eine Nachgiebigkeit, weil beispielsweise ein zu kleines Werkstück gegriffen wird, das der Bediener gerade per Hand entfernen will, stoppt auch diese Bewegung automatisch. Gleiches gilt, wenn die erwarteten Werkstückmaße um 2 mm überschritten werden, weil beispielsweise kein Teil vorhanden ist. In der dritten Phase detektiert der Greifer schließlich, ob das Teil sicher gegriffen ist, und aktiviert die integrierte Greifkrafterhaltung, indem die Bremse verspannt wird. So kann das gegriffene Teil selbst bei einem Not-Aus nicht verloren gehen. Zudem ist bei einem Stromausfall keine erneute Referenzierung erforderlich.

Die Sicherheitsarchitektur, auf der die neue Greifergeneration basiert, wurde in enger Zusammenarbeit mit der DGUV entwickelt. Die Grundlage bilden mehrere integrierte Prozessorkerne, die sich gegenseitig überwachen und zugleich den Greifprozess über die eingesetzte Kraft- und Wegsensorik sicher kontrollieren. Auf diese Weise wird es letztlich möglich, Greifkräfte jenseits der bislang üblichen 140-N-Grenze zu realisieren.

Darüber hinaus wurde beim Konzept des Co-act EGL-C von Beginn an auf eine hohe Praxistauglichkeit geachtet. Wahlweise lässt sich der Greifer über Profinet, Ethercat, Ethernet/IP, Modbus/TCP oder TCP/IP steuern und regeln. Ein In-betriebnahme-Assistent vereinfacht die Programmierung. Zudem ermöglicht eine Diagnoseschnittstelle im laufenden Betrieb den Zugriff auf die wichtigsten Prozess- und Status-Daten des Greifers. Um die Kooperation mit dem Bediener flüssig und intuitiv zu gestalten, ist der Greifer mit einer LED-Beleuchtung in Ampelfarben ausgestattet, über die sich der jeweilige Zustand des Moduls signalisieren lässt.
 

Nächster Schritt: Autonomes Greifen

Im Kontext der Mensch-Roboter-Kollaboration gewinnt nicht zuletzt auch der Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI) an Bedeutung. In Verbindung mit Kameras sind bereits erste Anwendungen kognitiver Intelligenz im Greiferumfeld realisiert, die ein intuitives Trainieren durch Werker und eine selbstständige Erledigung der Greifaufgaben durch den Roboter ermöglichen.

Dank Künstlicher Intelligenz ist es dieser 5-Fingerhand möglich, beliebige Objekte in beliebiger Lage zu identifizieren und autonom entsprechende Greifstrategien zu entwickeln und anzuwenden.

© Schunk

Ein erster Use Case bei Schunk, der Ansätze des Machine Learning zur Werkstück- und Greifprozessklassifikation nutzt, zeigt exemplarisch, wie steckbare Bauklötze beliebig kombiniert und einem Leichtbauroboter in beliebiger Anordnung auf einer Arbeitsfläche zum Abtransport vorgelegt werden. Im Zusammenspiel mit 2D- oder 3D-Kameras kommt es bei dem selbstlernenden System schon nach wenigen Lernzyklen zu einem rasanten Anstieg der Zugriffssicherheit: Mit jedem Griff lernt der Greifer, wie das Werkstück erfolgreich aufgenommen und transportiert werden kann. Schon nach wenigen Trainingsrunden klassifiziert das Netz, wie mit dem Wertevorrat an Werkstücken und den sich daraus ergebenden Kombinationsmöglichkeiten umzugehen ist. Hierbei verlässt sich der Greifer auf gelernte Erfahrungswerte, wie das Werkstück aufzunehmen und zu transportieren ist. Die intelligente Leistung des Algorithmus besteht darin, dass bereits nach kurzer Trainingszeit künftige Kombinationen und Anordnungen der Werkstücke selbstständig klassifizierbar sind. So ist das System in der Lage, Teile situationsgerecht und eigenständig zu handhaben. Indem die Algorithmen fortlaufend unter Nutzung von KI-Methoden angepasst werden, ist es möglich, bislang unerkannte Zusammenhänge zu erschließen und den Handhabungsprozess weiter zu verfeinern.                                                                              

Interaktion – das A und O

Das Thema Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) fordert Hersteller wie Anwender gleichermaßen zum Umdenken. Professor Dr. Markus Glück, Geschäftsführer Forschung & Entwicklung bei Schunk, bezieht Stellung.   

Herr Glück, welche Trends prägen derzeit den MRK-Markt?
Prof. Dr. Markus Glück: Wir erleben gegenwärtig, dass sich Hersteller von Roboterarmen und dazu passender Steuerungstechnik zu Vollsortimentern für Robotersysteme und Handhabungsprozesse entwickeln. Nach dem Vorbild der Plattform UR+ von Universal Robots entstehen hochinteressante Ökosysteme und Austauschforen. Zusätzlich zu den Roboterarmen werden auf webbasierenden Vertriebs- und Anwenderplattformen maßgeschneiderte Komponenten angeboten, die online bestellt und auf einfache, aber durchaus verlässliche Weise im Sinne eines effizienten Plug & Work in Betrieb genommen werden können.