Robotik

Zusammenarbeit

Forscher untersuchen Mensch-Roboter-Kooperation
Die beiden Roboter greifen je ein Werkstück einer Rahmenbaugruppe und positionieren diese für das Bearbeiten durch den Werker. Anschließend gehen sie in den Betriebsmodus „sicherer Stillstand“, und der Schweißer setzt seine ersten Schweißpunkte. Danach tritt er aus dem Arbeitsbereich heraus. (Foto: ABB)
Die Entwicklung der Robotertechnik zeigt eine Tendenz: Menschen sollen sicher Hand in Hand mit Robotern innerhalb einer gemeinsamen Arbeitsumgebung ohne trennende Wände oder Schutzzäune zusammenarbeiten können. Das verspricht neue Perspektiven hinsichtlich Automation und Flexibilität.

Im Rahmen des Rorarob-Projektes wollen Unternehmen aus Industrie und Forschung ein Hardware- und Software-Assistenzsystem zum Schweißen und Bearbeiten komplexer Baugruppen in der Rohr- und Rahmenfertigung entwickeln. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich direkter Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter (MRK) lassen sich auf andere Anwendungen übertragen. Das würde einen tiefgreifenden Paradigmenwechsel für die industrielle Fertigung bedeuten: Prozesse ließen sich wesentlich flexibler gestalten, und der Automationsgrad könnte Aufgabenstellung und aktuellen Marktanforderungen variabel abgepasst werden.

Die strikte Trennung…

Industrieroboter montieren und verschweißen Fahrzeugrahmen, lackieren Karosserieoberflächen oder Möbel, bestücken Maschinen, entnehmen Teile aus Spritzgießanlagen, entgraten und schleifen faserverstärkte Kunststoffteile oder sortieren, verpacken und palettieren die unterschiedlichsten Güter. Das sind nur beispielhafte Roboteranwendungen. In vielen industriellen Prozessen sind sie sogar alternativlos, wenn Werker aufgrund der zu handhabenden Massen oder wegen der Belastungen durch Hitze, Lärm oder Staub nicht arbeiten können oder dürfen. Weiterhin ist robotergestützte Automation dort unverzichtbar, wo der Mensch selbst aufgrund der hygienischen Anforderungen eine Gefahrenquelle für das Produkt darstellt – beispielsweise in der Pharma- und Lebensmitteltechnik. Haare, Hautschuppen oder mikrobielle Verschleppung von Keimen sind typische Risiken, die sich mit Robotern vermeiden lassen. Bei diesen Applikationen bewegen sich die Maschinen heute aus Sicherheitsgründen noch ausschließlich in durch Trennwände, Schutzzäune oder Rolltore abgesicherten Arbeitsräumen. Werker haben zu ihnen nur für Umrüst- oder Wartungsarbeiten Zutritt. Dazu müssen die Roboter abgeschaltet beziehungsweise von der Energieversorgung getrennt sein. Das ist zwar Stand der Technik, genügt aber nicht mehr den Anforderungen, die der Markt heute an produzierende Unternehmen stellt: Es ist eine höhere Flexibilität erforderlich, und die verlangt eine variable Aufgabenverteilung zwischen manueller und robotergestützter Arbeit beziehungsweise nach einem Team aus Mensch und Roboter.

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…gehört erst der Vergangenheit an,…

Die hybride Arbeitsweise beschreibt den Fall, dass Werker und Roboter gleichzeitig in einem gemeinsamen Arbeitsraum an einem Werkstück arbeiten. Diese Betriebsweise ist noch nicht Stand der Technik und erfordert ein grundlegendes Umdenken zum Thema Sicherheit. Um eine direkte MRK gefahrlos zu ermöglichen, sind Aspekte zu berücksichtigen, die bisher keine Rolle spielten, weil sie wegen der rigorosen Trennung ausgeschlossen waren – etwa Verletzungen durch Anprall, Stoß, Einziehen, Scherungen oder Quetschungen. Hier müssen jetzt solide Daten über die biomechanischen Aspekte unterschiedlicher Verletzungsarten erstellt werden. Außerdem ist im Hinblick auf Ergonomie bei der Zusammenarbeit zwischen Roboter und Mensch noch einiges zu optimieren. Aufgrund der bisher quasi als Gesetz geltenden Trennung der Arbeitsbereiche von Mensch und Roboter waren keine genauen Kenntnisse der biomechanischen Risiken beim Kontakt zwischen den beiden erforderlich, denn der Kontakt war einfach verboten. Das ist jetzt anders. Nun muss ausführlich dokumentiert werden, wie der Anwender mit dem System arbeiten möchte: Welche Schritte kommen vor? Welche Personen kommen mit dem System in Kontakt? Was müssen diese Personen machen? Was kann bei der Ausführung schiefgehen?

…wenn die Grundlagenarbeit erledigt ist

Die ISO 10218-1 beispielsweise zeigt in Abschnitt 5.10 vier Standardsituationen des kollaborierenden Betriebes: Stopp mit überwachtem Stillstand, Handführung des Roboters, Überwachen von Geschwindigkeit und Abstand sowie Begrenzung von Leistung und Kraft. Im realen Betrieb dürften diese Betriebsarten kaum in Reinform vorkommen. Viel eher ist anzunehmen, dass eine Mischung aus mehreren dieser Betriebsmodi auftritt. Die Frage ist daher, welche Verletzungsrisiken könnten unter realen Bedingungen am häufigsten auftreten? Statistisch sind das Stoß und Quetschung. Um deren Auswirkungen auf den Menschen zu mindern, gibt es generelle konstruktive Maßnahmen, etwa das Abrunden von Ecken und Kanten sowie das Polstern der Oberflächen von Robotern.

Roboter in der Nähe von Menschen dürfen sich nur mit reduzierter Geschwindigkeit bewegen. Das müssen nicht zwangsläufig – wie oft zitiert – neun Kilometer pro Stunde sein. Ausschlaggebend ist indes vielmehr die in der Gefährdungsanalyse als maximal zulässig ermittelte Geschwindigkeit. Hier ist noch viel Grundlagenarbeit zu leisten. Die höchsten Sicherheitsanforderungen gelten, wenn Roboter und Mensch eng zusammenarbeiten, etwa beim Montieren oder Schweißen. Hier ist ein Kontakt nicht auszuschließen und muss daher jederzeit gefahrenfrei sein. Das heißt, die Roboter-Kinematik muss situationsbedingt Leistung und Kraft begrenzen können – in Echtzeit. Damit steigen die Anforderungen an die sensorische Erfassung der Arbeitsbereiche, an sicherheitsgerichtete Logik und intelligente Software. pb

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