Der Mensch im Mittelpunkt

Montage der Zukunft rund um den Menschen

Die Entwicklung von interaktiven kooperativen Robotern ist ein etablierter Forschungsschwerpunkt am Fraunhofer IPK in Berlin. Dabei wird die Anpassungsfähigkeit der Technik an den Menschen fokussiert. Eingesetzt werden können diese Koboter beispielsweise zur kollaborativen Montage von Panoramadächern.

Entwicklungswege zu interaktiven Robotern für die Produktion. (Bild: Fraunhofer IPK)

Kooperative Roboter, kurz Koboter, stellen eine neue Klasse von Handhabungssystemen dar, die die Eigenschaften von Industrierobotern und handgeführten Manipulatoren optimal kombinieren. Ziel ist es, die einfache Bedienung und niedrige Kosten auf der Seite der Manipulatoren mit Programmierung, Bahnführung und Präzision der Industrieroboter zu vereinen. In der Praxis fallen dabei Defizite auf: Individuelle Benutzereinstellungen sind fast nicht möglich, die Bedienung und Programmierung sind oft kompliziert und die Sicherheit und ergonomische Funktionen unflexibel.

Das liegt unter anderem daran, dass bisherige interaktive Roboter meist eine Umgestaltung und Ausarbeitung vorhandener klassischer Industrieroboter oder Handhabungssysteme sind – und damit nicht reif genug für die echte physische Interaktion mit dem Mensch. Experten des Fraunhofer IPK verfolgen einen neuen Weg: Entwicklung von Kobotern, die von Anfang an speziell für die physische Interaktion mit dem Mensch gestaltet wurden. Viele Faktoren, die für eine sichere, effiziente und ergonomische Zusammenarbeit relevant sind, werden schon bei dem Entwurf berücksichtigt und optimiert.

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Die komplexen Handhabungs- oder Montage-Operationen erfolgen durch physische Kooperation nach dem „Admittanz-Prinzip“ (Impedanz-Nachgiebigkeit Regelung): Die Bewegungskommandos oder Kräfte, mit denen ein Mensch auf das Werkstück oder Werkzeug einwirkt, werden hierbei mit einem Kraft/Momenten-Sensor erfasst und in eine entsprechende Roboterbewegung umgesetzt. Dabei wird das Roboterverhalten so transparent geregelt, dass der Mensch die virtuelle Masse-Dämpfer-Feder-Systemreaktion (Zielimpedanz) in allen Bewegungsfreiheitsgraden spürt. Die Parameter des virtuellen Systems lassen sich durch die Steuerung an die Aufgabe oder den Menschen anpassen. Um eine leichte Bewegung zu realisieren, wird grundsätzlich die große Trägheit des Handhabungsobjekts reduziert. Eine größere Dämpfung ist bei präziseren Aufgaben und Kontakten mit einer steifen Umgebung erforderlich. Eine nützliche Besonderheit ist die Möglichkeit, virtuelle passive und aktive Hindernisse durch die Steuerung zu erzeugen. Dies unterstützt und erleichtert die Führung durch den Menschen bei komplexen Aufgaben.

Im Folgenden werden drei Systeme vorgestellt, die aus unterschiedlichen Projekten entstanden sind. Gemeinsam für alle Entwicklungen ist die Regelung der direkten physischen Interaktion zwischen Mensch, Roboter und Umgebung, auf der am Fraunhofer IPK der Schwerpunkt der Forschung liegt.

Auf der Automatica 2016 wurde der derzeit größte kollaborative Industrieroboter weltweit (Comau Aura) präsentiert. Diesem Koloss haben die Experten vom Fraunhofer IPK im Auftrag von Comau manuelle Führung (Programmierung) und Kraft/Nachgiebigkeit „beigebracht“. Diese neue Funktionalität wurde für Polier- und Montageaufgaben umgesetzt. Solche komplexe Aufgaben erfordern adaptive Steuerungs- und Regelungsverfahren, mit denen die Bewegungsbahnen und die Anpresskräfte, die der Roboter auf die Werkstückoberfläche ausübt, selbständig an unterschiedliche Formen angepasst werden können.

Das BMBF-Projekt „Kobot Aergo“ stellt den Menschen in den Mittelpunkt der Forschung und fokussiert die Anpassungsfähigkeit der Technik an den Menschen. Jeder Werker kann individuelle Zielimpedanz-Anpassungen speichern. Für einen praktischen Einsatz (beispielsweise ein System für die Montage eines Panoramadachs) wurde ein semi-automatisches Szenario implementiert: Der Koboter stellt das Dach automatisch zu und die Montage erfolgt durch Zusammenarbeit mit dem Mensch.

Für eine direkte und sichere Mensch-Roboter-Kooperation werden am Fraunhofer IPK auch neuartige, leichte und ausbalancierte Kinematiken mit intrinsisch sicheren Antrieben erforscht und prototypisch entwickelt. Den Menschen mit seinen Erfahrungen und seinem Potenzial wieder stärker in die Produktion zu integrieren, ist ein Ziel des Fraunhofer-Leitprojekts E3-Produktion. Hier setzen die Fraunhofer-Experten mit ihrem neuen kooperativen Robotersystem an: Es ist intrinsisch sicher, einfach und intuitiv zu bedienen. Die speziell dafür entwickelte Kinematik zeichnet sich durch ein Leichtbau-Design aus, bei dem alle Antriebe und Gegengewichte an einer Portalkonstruktion angebracht sind. Im Fall eines Ausfalls kommt so das ganze System in eine sichere Ruheposition und verbleibt dort. Achsen mit intrinsisch sicheren dualen Hybrid-Antrieben gewährleisten außerdem eine gleichzeitige Überwachung und Regelung der Robotergeschwindigkeiten und -momente und die schnelle sichere Begrenzung der Kollisionskräfte. Das wiederum minimiert die Verletzungsgefahr für den Menschen

Dr. D. Surdilovic/G. Schreck/ Prof. Dr. J. Krüger/

as

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