Aber auch dieser Schritt allein genügt nicht, um dem Roboter wirklich neue Anwendungsfelder auch jenseits des Industrieumfeldes zu eröffnen. In den Bereichen der Medizin- und Service-Robotik beispielsweise möchte man einerseits zwar die „klassischen“ Fähigkeiten des Roboters – also Präzision, Kraft und Ausdauer – nutzen; andererseits soll er zusätzlich über „menschliche“ Sinne und Eigenschaften verfügen.

Dazu gehört zunächst ein schnelles Reagieren auf externe Krafteinwirkungen, was ein intuitives Führen des Roboters erlaubt und die Gefährdung des Menschen durch den Roboter minimiert. Neben dieser Sensibilität ist die Fähigkeit zu sehen und darüber die eigene Umwelt zu erfassen der wohl wichtigste Sinn für den Roboter der Zukunft. Mit anderen Worten: Für eine erweiterte Kooperation von Mensch und Roboter muss letzterer in der Lage sein, sich in seiner Umgebung zu orientieren, Standort und Bewegungen des Werkers sicher zu erfassen und sicher darauf zu reagieren.

Beide Sinne stehen dem Roboter bereits zur Verfügung, sind jedoch aufgrund ungenügender Fehlersicherheit zurzeit für kooperierende Anwendungen nicht einsetzbar. Heutige Sensorik wurde für den Einsatz von Robotern im Automatik-Betrieb entwickelt und kommt ausschließlich bei Robotern „hinter Gittern“ zum Einsatz. Daher sind alle bis dato verfügbaren Systeme nur einkanalig aufgebaut und erreichen nicht die durch die Norm geforderte Sicherheits-Kategorie 3.

Ungeachtet dieser noch ungelösten Punkte, lässt sich festhalten, dass drei Kriterien den intelligenten Assistenzroboter von morgen bestimmen werden:

• sichere Robotertechnik als Basis-Funktion,
• schnelle Reaktion auf Kräfte
• und sicheres Erkennen der Umwelt.

Friedliches Nebeneinander – die Umsetzung

Wie sind diese Aspekte nun konkret technologisch umsetzbar und welche Auswirkungen hat dies auf den Umgang mit dem Roboter beziehungsweise auf dessen Programmierung?

Ein Kraft-Momenten-Sensor, der zwischen Roboter-Flansch und Werkzeug angebracht ist, setzt beim menschgeführten Roboter die Krafteinwirkungen am Werkzeug direkt in Roboterbewegungen um. Damit ist es dem Werker möglich, den Roboter über das Werkzeug direkt zu bewegen. Die Sicherheit des Werkers garantieren in diesem Fall ein zusätzlicher, zweikanaliger Zustimmtaster und eine sichere Überwachung der kartesischen Geschwindigkeit des Roboters. Diese sehr feinfühlige und intuitive Art der Roboterführung wird in Zukunft zum einfachen Programmieren von komplexen Roboterbahnen zur Anwendung kommen und herkömmliche Programmierphilosophien mittels textueller Bediengeräte ablösen.

Der Werker greift den Roboter direkt am Flansch oder dem Werkzeug und führt ihn an der gewünschten Bahn entlang. Diese Bahn wird gespeichert und kann sofort danach durch den Roboter in Automatik abgefahren werden. Speziell bei hochflexibler Fertigung mit kleinen Losgrößen reduziert die vereinfachte Programmierung die Kosten drastisch. Zusätzlich bietet dieser Ansatz den großen Vorteil, dass zur Programmierung eines Roboters kein „Roboter-Know-how“ mehr erforderlich ist und die Anwendung allein vom Applikations-Spezialisten umgesetzt werden kann.

Was die Anforderung an den Roboter betrifft, selbstständig und flexibel auf eine veränderte Umwelt zu reagieren, so versetzen zwei- oder dreidimensionale Vision-Systeme den Roboter bereits heute in die Lage, Bauteile im Raum oder auf Transportbändern zu lokalisieren und zu greifen. In diesem Punkt ist der Schritt von der positionsgebundenen Programmierung hin zum mehr oder weniger freien Reagieren bereits vollzogen. Ein gefahrloses Nebenund Miteinander von Mensch und Roboter zu garantieren, dazu sind diese Systeme jedoch sicherheitstechnisch nicht geeignet!

Hierzu bedurfte es der Entwicklung von sicheren Kamerasystemen. Mit Hilfe eines solchen „sicheren Auges“ lassen sich Bewegungen im Arbeitsbereich des Roboters erfassen und an den Roboter übermitteln. Die Reaktion des Roboters kann ein sofortiger Stopp oder aber eine distanz-abhängige Geschwindigkeitsreduzierung sein.

Wegezeiteneinsparung bis zu 10 % möglich

Erste Versuche mit dem sicheren Kamerasystem „Safety Eye“ der Firma Pilz haben gezeigt, dass sich die Eigenschaften des sicheren Roboters und einer sicheren, externen Positionserfassung auf ideale Weise ergänzen. Über eine sichere, zweikanalige Schnittstelle erhält der Roboter bei dieser Lösung Informationen über seine „Umwelt“. Gerade bei Handeinlegestationen kann diese Zusammenarbeit zu einer deutlichen Taktzeitreduzierung und Kosteneinsparungen führen.

Die Annäherung des Werkers zum Einlegen eines Bauteils in den Robotergreifer wird dem Roboter durch das Kamerasystem übermittelt. Sollte der Roboter sich zu diesem Zeitpunkt noch bewegen, reduziert er sicher seine Geschwindigkeit auf einen anhand einer Gefährdungsanalyse ermittelten Maximalwert. Dadurch kann sich der Werker ohne überflüssige Wartezeit bereits jetzt dem Roboter nähern.

Detektiert das Kamerasystem den Werker in unmittelbarer Nähe des Roboters, stoppt der Roboter automatisch. Während des Einlegens eines Bauteils direkt in den Robotergreifer steht der Roboter, die Antriebe bleiben in Regelung und der Stillstand wird sicher überwacht.

Nach dem Einlegen tritt der Werker nur kurz zurück und gibt den Roboter frei, woraufhin sich dieser bewegt. Die aktuelle Geschwindigkeit des Roboters hängt dabei von dem durch das sichere Kamerasystem übermittelten Abstand des Werkers ab: Je weiter sich der Werker vom Roboter entfernt, umso schneller bewegt sich der Roboter. Die Ermittlung des aktuellen Abstandes des Werkers erfolgt über die Definition vorkonfigurierter Zonen im Arbeitsbereich des Roboters und in der Zellen-Peripherie.

Versuche haben gezeigt, dass durch die Zusammenarbeit von sicherem Roboter und sicherem Kamerasystem bei Handeinlegestationen Wegezeiten je nach Applikation um 5 bis 10 % reduzierbar sind, ohne die Sicherheit des Werkers zu beeinträchtigen.

Kamerasystem an Robotermechanik erlaubt mobile Robotik

Sicherer Roboter und sicheres Kamerasystem werden also in Zukunft das „friedliche“ Nebeneinander von Werker und Roboter ohne Schutzzaun ermöglichen. Dazu gilt es jedoch, sowohl die Verarbeitungszeit und die Auflösung des sicheren Kamerasystems weiter zu steigern, als auch die Schnittstelle des sicheren Roboters zu erweitern. Das heißt im Detail:

• Die interne Verarbeitungszeit des sicheren Kamerasystems vom Erfassen des Werkers bis zum Signal an den Roboter, dass dieser die Geschwindigkeit reduzieren oder stoppen muss, ist auf etwa 20 ms zu reduzieren.
• Das sichere Kamerasystem muss zukünftig in der Lage sein, zwischen der Annäherung eines Werkers und der Annäherung eines anderen Roboters zu unterscheiden.
• Die Schnittstelle zwischen beiden Systemen beruht zurzeit auf reinen E/A-Signalen. Läge die Verarbeitung der kartesischen Bildinformationen direkt im Sicherheitssystem des Roboters, ließen sich die Reaktionen deutlich „feiner“ realisieren.

Die Installation des Kamerasystems direkt an der Robotermechanik erlaubt schließlich den Schritt hin zur mobilen Robotik. Bereits heute finden zu diesem Zweck Laser-Scanner Verwendung, deren Auflösungsvermögen allerdings im Hinblick auf Objekt-Erkennung und -Unterscheidung deutlich hinter den Möglichkeiten einer optischen Kamera liegt. Erfolgt zusätzlich die Verarbeitung der Videosignale direkt in der Robotersteuerung, ist ein sehr differenziertes Reagieren auf Veränderungen oder Bewegungen im Arbeitsbereich möglich. Dann wird der Roboter nicht nur in der Lage sein, seine Geschwindigkeit entsprechend dem Abstand zum Menschen zu reduzieren oder zu stoppen, sondern auch intelligent auszuweichen.

Auf den Punkt gebracht: Nicht nur im Bereich der automobilen Endmontage – ein Bereich mit noch sehr niedrigem Automatisierungsgrad – sondern auch in den neuen Anwendungsbereichen der mobilen Service- und Medizin-Robotik ist das „sichere Sehen“ für den Roboter unverzichtbar. Wird dieser Sinn für den Roboter noch weiter erschlossen und perfektioniert, eröffnen sich für die sichere Robotik ungeahnte Anwendungspotentiale.

Autor: Peter Klüger ist bei Kuka Roboter im strategischen Produktmanagement verantwortlich für die Bereiche Automobilindustrie und Sicherheitstechnik.