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Mensch und Roboter als perfektes Team

: B&R


Die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter im Team ist ein alter Menschheitstraum. Menschen sind mit ihrem feinmotorischen Geschick und ihrer Erfahrung der Schlüssel für hohe Flexibilität, während Roboter ergonomisch schwere Arbeitsinhalte übernehmen und so höchste Wiederholgenauigkeit und Qualität garantieren. Werden die Eigenschaften von Mensch und Roboter kombiniert, können neue Arbeitsabläufe entstehen oder bestehende entscheidend optimiert werden. Dass Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) auch in der Schwerlastrobotik nicht nur Theorie ist, beweist eine Demozelle der Firma EngRoTec GmbH, in der die Montage einer PKW-Heckklappe gezeigt wird.

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Die Heckklappe wird unter Berücksichtigung aller Toleranzen mittels Multi-Sensortechnik gemessen, die optimale Position errechnet und der Roboter entsprechend korrigiert.

Die Heckklappe wird unter Berücksichtigung aller Toleranzen mittels Multi-Sensortechnik...

Das Szenario ist beeindruckend. Während ein Roboter mit einer beachtlichen Reichweite von 2,70 m und einer maximalen Traglast von 220 kg die komplette PKW-Heckklappe in eine Aufnahmevorrichtung befördert, wartet Sebastian Filk, Techniker bei EngRoTec, hinter der roten LED-Leiste im Boden. Diese markiert den Sicherheitsbereich um seinen Arbeitsplatz. Würde er sie übertreten, käme der Roboter innerhalb von Millisekunden zum Stehen oder würde mit einer langsameren Geschwindigkeit weiterarbeiten, um Menschen nicht zu gefährden. Kaum ist der stählerne Kollege zum Stillstand gekommen, schlägt die Farbe in Grün um und Filk darf den freigegebenen Bereich betreten. Er befestigt zwei Scharniere, verlässt den Bereich wieder und beendet den Arbeitsgang mit einem Knopfdruck am nächsten Terminal. Der Roboter führt die vormontierte Heckklappe zur Karosse, wo die exakte Einbauposition mit einem Laserscanner ermittelt wird. Wenn die grüne LED-Leiste erscheint, sitzt das Werkstück in der richtigen Position. Filk tritt erneut in den Arbeitsbereich. Während er die Heckklappe an die Karosserie schraubt, sendet die Steuerung bereits die Qualitätsdaten an das ERP-System des Werkes und fordert das nächste Werkstück an. Diese Form der Teamarbeit wird in Zukunft standardmäßig in vielen Fabriken unter dem Begriff Industrie 4.0 anzutreffen sein.

Roboter werden zu Dienstleistern

Seit einiger Zeit machen Serviceroboter Schlagzeilen, die Menschen bei der Hausarbeit oder der Krankenpflege unterstützen. Direkte Mensch-Roboter-Kollaborationen eignen sich für die Montage und die Handhabung von Kleinteilen. Roboter sorgen für eine Entlastung der Beschäftigten, wenn z. B. Über-Kopf-Arbeiten ausgeführt oder ergonomisch ungünstige Haltungen für ihre Tätigkeit
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Der Roboter fixiert das Werkstück und ist im sicheren Halt, während die Scharniere manuell befestigt werden.

Der Roboter fixiert das Werkstück und ist im sicheren Halt, während die Scharniere...

eingenommen werden müssen. Anwendungen dieser Art zählen zur Leichtbaurobotik, bei der nur geringe Massen mit leistungs- und kraftreduzierten Antrieben bewegt und deshalb Menschen nicht gefährdet werden können.

Ganz anders verhält es sich im Bereich der Schwerlastrobotik. Bekannt sind zahlreiche Anwendungen im Automobilbau, wo hunderte Roboter in ihren sicheren Behausungen ganze Karossen zusammenschweißen. „Unter diesen Bedingungen lassen sich heute die meisten Anwendungsfälle automatisieren“, beschreibt Marc Burzlaff, Geschäftsführer des Technologiedienstleisters EngRoTec-Solutions GmbH im hessischen Hünfeld, den technischen Stand. „Zukünftig kommt es darauf an, Menschen im Arbeitsprozess zu unterstützen und ihre Intelligenz mit den Vorteilen des Roboters zu kombinieren.“ So können wesentlich effektivere und flexiblere Produktionsabläufe entstehen, die den Werker entlasten. „Dieser Vorteil gewinnt besonders vor dem Hintergrund von Industrie 4.0 und einer damit verbundenen Individualisierung von Produkten zunehmend an Bedeutung“, sagt Burzlaff.

Schwerlastrobotik stellt hohe Anforderungen an die Sicherheit

Teilen sich Mensch und Roboter einen gemeinsamen Arbeits- oder Bewegungsraum, ist ein physischer Kontakt zwischen beiden oft unvermeidlich oder auch gewollt. Hieraus ergibt sich grundsätzlich ein hohes Gefahrenpotenzial. Eine Verletzung des Menschen durch den Roboter muss sicher vermieden werden. Hierfür gelten die relevanten Normen DIN EN ISO 10218 und die neue ISO/TS 15066. Daraus lassen sich detaillierte Anforderungen für alle aufgabenabhängigen Sicherheitsabstände, die maximalen Verfahrgeschwindigkeiten
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Leuchtstreifen im Boden markieren die Sicherheitsbereiche und signalisieren den Zutritt.

Leuchtstreifen im Boden markieren die Sicherheitsbereiche und signalisieren...

und Arbeitsräume sowie deren Überwachung ableiten. Die Anforderungen an die eingesetzte Sicherheitstechnik sind dementsprechend hoch.

Mit der Umsetzung zahlreicher MRK-Projekte im Bereich Automotive weiß Burzlaff, dass die Reaktionszeit der kompletten Sicherheitskette über den Erfolg einer MRK-Applikation entscheiden kann. „Liegt die Reaktionszeit der Safety-Applikation unter 350 bis 400 ms, können die Sicherheitsabstände um bis zu 50 % gegenüber dem aktuellen technischen Stand reduziert werden“, sagt er. Infolgedessen verringert sich der Bedarf an Produktionsfläche und die Arbeitsbelastung des Werkers nimmt durch kürzere Wege sowie einer verbesserten ergonomischen Arbeitsplatzgestaltung deutlich ab.



Konventionelle MRK-Lösungen setzen auf Standardroboter mit eigener Steuerungstechnik, separater Zellensteuerung und Sicherheitstechnik. Die dezentrale Datenhaltung der zahlreichen Sicherheitsparameter sowie die Kommunikation der Systeme untereinander haben einen enormen Entwicklungsaufwand zur Folge. „Eine Reaktionszeit unter 500 ms ist mit dieser Komplexität nicht zu erreichen“, sagt Burzlaff.

openROBOTICS macht es möglich

2015 entwickelte EngRoTec das AI Roboterführungssystem und ermöglichte damit den roboterunterstützten und toleranzoptimierten Verbau einer Heckklappe in ein Fahrzeug. Diese praxiserprobte und durch die Berufsgenossenschaft zugelassene Applikation wurde nun in
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Mit openROBOTICS, B&R-Steuerungs- und Antriebstechnik, openSAFETY-Lichtgittern und dem B&R-Technologiepaket SafeROBOTICS werden 250 ms Safety-Reaktionszeit erreicht.

Mit openROBOTICS, B&R-Steuerungs- und Antriebstechnik, openSAFETY-Lichtgittern...

einer neuen MRK-Demozelle weiterentwickelt. „Solche Szenarien in Zukunft ökonomisch für den Kunden umsetzen zu können, war ein Hauptanliegen unserer Arbeit“, sagt Burzlaff. „Dazu war es notwendig das Automatisierungskonzept als Ganzes neu zu betrachten.“

Nach intensiver Marktrecherche entschieden sich die EngRoTec-Ingenieure für die Mechanik eines Comau-Roboters, der mit einer frei konfigurierbaren Steuerungstechnik von B&R ergänzt wird. Das Ergebnis dieser Kooperation heißt openROBOTICS und ermöglicht die vollständige Integration eines solchen Roboters in eine Anlage. „Comau verzichtete auf eine eigene Robotersteuerung, wodurch die Komplexität der Automatisierungstechnik deutlich sank. Dazu kommt, dass die verwendete B&R-Technik für Steuerung, Antriebs- und Sicherheitstechnik und das Technologiepaket SafeROBOTICS nicht nur den Engineering-Aufwand entscheidend reduzierten, sondern auch die Reaktionszeit der Sicherheitstechnik“, erklärt Tobias Daniel, Head of Sales and Marketing Robotics bei Comau.

B&R setzt mit Technologiepaket SafeROBOTICS Maßstäbe

Der Systemanbieter B&R kann bei diesen Applikationen die Vorteile seiner Produkte voll ausspielen. Steuerung, Antriebe und integrierte Sicherheitstechnik können frei ausgewählt und konfiguriert werden. Das Echtzeit-Ethernet POWERLINK mit open-SAFETY und die Abwicklung des kompletten Engineering-Aufwands mit der B&R-Software Automation Studio überzeugte die EngRoTec-Konstrukteure. Dazu kommen die zahlreichen Technologiepakete, mit denen B&R die Entwicklungsarbeit
weiter unterstützt.

Das Technologiepaket SafeROBOTICS liefert zahlreiche wichtige Funktionen, mit denen MRK-Applikationen unterschiedlichster Aufgabenstellungen realisiert werden können. Es können z. B. mehrere Flansche, Gelenke, Monitoring- und Toolpoints und bis zu 20 beliebig im Raum platzierbare Quader oder Ebenen gleichzeitig sicher überwacht und auch in Echtzeit neu parametriert werden. Um die Parametrierung zu erleichtern, können diese Daten direkt aus einem Simulationstool übernommen werden.

Zu SafeROBOTICS gehören auch sichere Antriebsfunktionen, die die Bewegung des Tool Center Point (TCP) des Roboters überwachen. Das sind z. B. Funktionen für die sichere Position, Geschwindigkeit und Orientierung des Roboters oder die sichere Position des TCP. Ohne diese Funktionen wäre eine MRK-Anwendung schwer oder gar nicht zu realisieren.

Dieses Gesamtpaket reduziert die Reaktionszeit einer Safety-Applikation entscheidend. „Wir erreichen in dieser Applikation sichere 320 ms Reaktionszeit von der Erfassung einer Schutzraumverletzung mit einem Laserscanner bis zur sicheren Abschaltung der Antriebe. Das ist Weltrekord“, freut sich Markus Sandhöfner, Geschäftsführer B&R Deutschland. Ergänzt wird diese Leistung durch das Know-how von EngRoTec, das durch intelligente und datenbankgestützte Software- und Regelungsprinzipien viel Hardware und sonstige Ausrüstung überflüssig macht.

Produktivität erhöhen und Arbeitsbelastung reduzieren

Den Kundennutzen sieht Burzlaff insbesondere in minimalen Sicherheitsabständen und geringerem Platzbedarf für die Schaltschränke. Der stark reduzierte Flächenbedarf führt aufgrund verkürzter Wege zu einer spürbaren Entlastung der Produktionsarbeiter. Für die EngRoTec-Demozelle bedeutet das 15 m² weniger Fläche, 40 % weniger Wegstrecke
und eine um 7 % verkürzte Taktzeit.

„Wenn wir noch stärker datenbankgestützt arbeiten und durch den Einsatz von openSAFETY-Lichtgittern weitere Hardware einsparen, sind wir in der Lage, die Reaktionszeit um weitere 70 ms zu reduzieren. Das wird die Mensch-Roboter-Kollaboration in der Montage enorm vorantreiben“, ist Burzlaff überzeugt. Es lohnt sich also, die Entwicklung dieser Technologie weiter zu verfolgen.

Die Heckklappe wird unter Berücksichtigung aller Toleranzen mittels Multi-Sensortechnik gemessen, die optimale Position errechnet und der Roboter entsprechend korrigiert.
Der Roboter fixiert das Werkstück und ist im sicheren Halt, während die Scharniere manuell befestigt werden.
Leuchtstreifen im Boden markieren die Sicherheitsbereiche und signalisieren den Zutritt.
Mit openROBOTICS, B&R-Steuerungs- und Antriebstechnik, openSAFETY-Lichtgittern und dem B&R-Technologiepaket SafeROBOTICS werden 250 ms Safety-Reaktionszeit erreicht.



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