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Funktionale Sicherheit: Schwerlast-MRK erfordert neue Safety-Ansätze

Das Thema MRK ist nicht nur etwas für 'Leichtgewichte'. Auch im Bereich der Schwerlast-Robotik werden künftig Lösungen gefragt sein, die eine direkte Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ohne störenden Schutzzaun erlauben. Dies erfordert jedoch neue Ansätze in puncto Safety.

Schweres leicht gemacht Bildquelle: © Keba

Ein Besuch der diesjährigen Hannover Messe zeigte einmal mehr: Das Thema Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) boomt. Sowohl neue als auch etablierte Robotik-Hersteller bringen sogenannte Cobots auf den Markt; immer mehr Greiferlösungen für MRK-Anwendungen sind zu finden und zunehmend werden daneben innovative Softwareprodukte für einfaches Programmieren der Cobots vorgestellt. Doch bis dato ist das Thema MRK noch immer fast ausschließlich von den Robotern mit einer Traglast von unter 15 kg dominiert. Lasten, die ein Mensch eigentlich problemlos und wesentlich besser als ein Cobot manipulieren kann. Worin liegt also der echte Nutzen für Anwender im industriellen Umfeld? Und was ist der tatsächliche Vorteil einer Mensch-Roboter-Zusammenarbeit?

Roland Schrattbauer Bildquelle: © Keba

Roland Schrattbauer, Produktmanager Robotik bei Keba: "Bei unserem Konzept betreiben wir Standard-Industrie-Robotermechaniken mit unserer Robotersteuerung. Das hat den Vorteil, dass wir bezüglich Traglast und Arbeitsbereich skalierbar sind."

Mit diesen Fragen hat man sich bei Keba in den letzten Monaten intensiv beschäftigt. Roland Schrattbauer, Programm-Manager Robotics beim österreichischen Automatisierungsanbieter, zieht erste Schlussfolgerungen: „Die Entwicklungen im Bereich der Cobotic sind langfristig natürlich wichtig und richtig. Kurz- und mittelfristig gesehen ist aber eine andere Art der Mensch-Roboter-Zusammenarbeit wesentlich wertvoller für Anwender und Betreiber – nämlich die Schwerlast-MRK.“ Ganz allgemein gehe es bei MRK darum, Mensch und Roboter in der Zusammenarbeit so zu ‚kombinieren‘, dass sie als ein reibungsloses Team funktionieren und dabei jeder seine individuellen Stärken einbringt. Schrattbauer: „Der Mensch ist nach wie vor der beste am Markt verfügbare Sensor und zeichnet sich über eine unübertroffene Problemlösungskompetenz aus. Der Industrieroboter hingegen ist der perfekte Manipulator für schwere Lasten mit beeindruckender Genauigkeit. Geschickt kombiniert ergeben sich ergonomischere und sicherere Arbeitsplätze einerseits sowie günstigere und flexiblere Automatisierungslösungen andererseits. Diese Win-Win-Situation führt schlussendlich zu stabileren Prozessen und erhöhter Produktqualität.“ Schrattbauer zufolge muss das oberstes Ziel beim Thema Mensch-Roboter-Interaktion darin bestehen, die Bedienung eines Roboters wesentlich zu vereinfachen – also weg vom Experten, hin zum Anwender. Vor diesem Hintergrund wurde etwa bei Keba ein neues Führungs-Device entwickelt: Das sogenannte ‚KeTop G10‘ verfügt über eine 6D-Maus inklusive Taster und LEDs zur intuitiven Führung des Roboters und ist zudem mit einer Zustimmungstaste zur sicheren Freigabe von Bewegungen ausgestattet. Das KeTop G10 lässt sich mittels weniger Handgriffe an unterschiedlichen Positionen des Roboters, des Werkzeuges oder Werkstückes anbringen. Damit befindet es sich immer am optimalen Platz – egal welche Aufgabe ansteht.

Typisch Szene für Schwerlast-MRK Bildquelle: © Keba

Eine typische Szene für Schwerlast-MRK: Ein Palettierroboter arbeitet Hand in Hand mit dem Menschen zusammen.

Per Kraftsensor zwischen Roboter und Werkzeug sowie einer eigens entwickelten Gewichtskompensation kann der Roboter bei Bedarf auch direkt über das Werkzeug oder Werkstück bewegt werden. Dies versetzt jeden Produktionsmitarbeiter in die Lage, hohe Lasten exakt und spielend leicht zu führen. Darüber hinaus könnte ein Mensch auch mittels smarter Devices in den Dialog mit dem Roboter treten. In diesem Fall würde der Roboter dem Bediener wichtige Informationen auf das Display senden. Somit kann jener mit dem Roboter interagieren und hat dennoch stets die Hände für die tatsächliche Aufgabe frei.

„Eine große Herausforderung war der Übergang zwischen einer vom Roboter selbst ausgeführten Bewegung und dem direkten Führen des Roboters durch den Menschen“, erzählt Schrattbauer. Genau das ist jedoch nötig, um beide Stärken im vollen Umfang zu nutzen. So ist beim Roboter gefordert, dass er bekannte und gleichbleibende Bewegungen selbstständig durchführen kann. Gleichzeitig sollte ein nahtloser Übergang in die Handführung möglich sein. Bei der klassischen Robotersteuerung ist eine Bewegung des Roboters per Hand nur in der Betriebsart ‚T1‘ möglich. Das Umschalten bedingt jedoch ein Beenden des Automatikprogramms. Somit ist ein fließender Übergang zwischen Fahren und Führen nicht möglich. Gelöst wurde diese Problematik durch eine Erweiterung des Automatikbetriebes um Befehle beziehungsweise Sequenzen, die ein manuelles Führen und anschließend eine Fortführung der automatischen Bewegung erlauben.

Ein Thema, das sehr oft auch bei den wesentlich kleineren Cobots übersehen wird, ist die sichere und aufgabengerechte Führung eines Roboters von Hand. Auch wenn es bei Testanwendungen völlig ausreichend ist, alle Richtungen und die Orientierung am Roboter frei zu schalten, so zeigt die Praxis doch, dass damit nur sehr wenige Applikationen rasch und zielführend geführt werden können. Grund dafür ist: Schaltet man zum Beispiel bei einem 7-Achs-Roboter alle Achsen frei, so bietet der Roboter keinerlei Unterstützung bei der Führung. Es kann sein, dass der Roboter die Orientierung des Werkzeugs verändert, obwohl man ihn eigentlich nur im Raum verschieben möchte. Damit muss bei der Handführung laufend sowohl die Position wie auch Orientierung des Roboters/Werkzeuges berücksichtigt und überprüft werden. Die Konzentration liegt somit eher auf der fortlaufenden Überwachung von bereits korrekt eingestellte Parametern (zum Beispiel Orientierung) und nicht der eigentlichen Aufgabe.

Für Aufgabenstellungen, bei denen zum Beispiel ein Werkstück oder Werkzeug nur wenige Zentimeter absolut gerade geführt werden muss, hat Keba vor diesem Hintergrund ‚Fahrassistenzsysteme‘ für Roboter entwickelt. Ähnlich wie beim Auto unterstützen sie dabei, die Spur zu halten, sicher und kollisionsfrei einzuparken oder sogar eigenständig Streckenabschnitte zu fahren. Mit anderen Worten: Der Spurhalte-Assistent sorgt dafür, dass ein vorgegebener Raum oder Schlauch nicht verlassen wird, und zeigt dem Bediener dies durch eine Art ‚Force-Feedback‘ an. Auch einfache Assistenten, wie zum Beispiel das wahlweise Sperren oder Freischalten von einzelnen Bewegungsrichtungen, wurden ins System integriert und sorgen insgesamt für eine wesentlich einfachere und damit aufgabenorientierte Führung des Roboters.