Kollaborative Roboter (Cobots): Die Ingenieurskunst der Mensch-Roboter-Kollaboration in der Fertigung
Was einen Cobot sicher macht, ist nicht der Roboter selbst, sondern die richtig ausgelegte Anwendung. Die vier kollaborativen Betriebsarten, wie die Leistungs- und Kraftbegrenzung funktioniert und warum eine Risikobeurteilung unverzichtbar ist — eine besonnene technische Betrachtung für Fertigungsingenieure.
Ein kollaborativer Roboter (Cobot) wird oft als "zaunloser Roboter, der bei Berührung anhält" zusammengefasst. Diese Beschreibung ist unvollständig und irreführend. Was einen Roboter kollaborativ macht, ist nicht das Etikett auf seinem Karton, sondern eine Anwendungsauslegung, bei der Roboter, Werkzeug, Werkstück, Geschwindigkeit und Umgebung gemeinsam bewertet werden. In diesem Beitrag betrachten wir, durch welche Ingenieurprinzipien Cobots tatsächlich sicher werden, die vier kollaborativen Betriebsarten und warum eine Risikobeurteilung nicht verhandelbar ist.
Der wirkliche Unterschied zwischen einem Cobot und einem klassischen Industrieroboter
Mechanisch bestehen ein Cobot und ein klassischer Industrieroboterarm aus ähnlichen Komponenten: Achsen, Servomotoren, Getriebe, eine Steuerung. Der Unterschied besteht darin, dass der Cobot für den kollaborativen Betrieb ausgelegt ist. Typischerweise verfügt er über eine Kraft-/Momenterfassung in den Gelenken, ein abgerundetes Gehäuse mit reduzierten Quetschstellen, eine begrenzbare Geschwindigkeit und eine sicherheitsgerichtete Steuerungsarchitektur.
Die entscheidende Unterscheidung ist hier folgende: Ein Roboter kann "für den kollaborativen Betrieb geeignet" sein, doch eine Anlage ist erst dann kollaborativ, wenn die Risikobeurteilung dies bestätigt. Wird am Cobot-Arm eine scharfe Klinge, ein heißes Endstück oder ein schweres Teil mit spitzen Kanten angebracht, ist die entstehende Gefährdung nicht mehr durch die Eigenmasse des Roboters begrenzt; eine solche Anwendung kann selbst beim Einsatz eines Cobots zusätzlichen Schutz erfordern. Kurz gesagt: Nicht der Roboter ist kollaborativ, sondern die Anwendung.
Die vier kollaborativen Betriebsarten
Die Grundlage für die Sicherheit von Industrierobotern und Robotersystemen bilden ISO 10218-1 und ISO 10218-2; den kollaborativen Betrieb und die zugehörigen biomechanischen Grenzwerte beschreibt die technische Spezifikation ISO/TS 15066 im Detail. Die vier in diesem Rahmen definierten Methoden legen fest, wie eine Zelle zum "Zusammenarbeiten" gebracht wird. In einer Anwendung können sie einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.
| Methode | Funktionsweise | Wesentlich erforderliche Hardware | Typischer Einsatz |
|---|---|---|---|
| Sicherheitsgerichteter überwachter Halt | Betritt der Bediener den gemeinsamen Bereich, hält der Roboter sicher an; ist der Bereich wieder frei, läuft der Zyklus weiter. Die Motoren können bestromt bleiben. | Sicherheitsgerichtete Halt-Funktion, Bereichsüberwachung | Zellen, in die der Bediener gelegentlich zum Teilebeladen eintritt |
| Handführung | Der Bediener bewegt den Roboter von Hand mit einem Führungsgerät. | Handbediengerät/Kraftsensor, sichere Geschwindigkeit | Teachen, unterstütztes Handhaben schwerer Teile |
| Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung (SSM) | Zwischen Roboter und Mensch wird ein schützender Trennabstand eingehalten; verringert sich der Abstand, verlangsamt der Roboter und hält bei Bedarf an. | Laserscanner, Lichtvorhang oder Bildverarbeitungssystem | Zellen, in denen eine hohe Geschwindigkeit erhalten bleiben soll und kein Kontakt vorgesehen ist |
| Leistungs- und Kraftbegrenzung (PFL) | Bei möglichem Kontakt werden Kraft und Druck über Auslegung und Geschwindigkeit des Roboters so begrenzt, dass sie unter den biomechanischen Grenzwerten bleiben. | Kraft-/Momenterfassung, Kollisionserkennung, begrenzte Geschwindigkeit | Echtes Seite-an-Seite-Arbeiten mit dem Menschen, ohne Schutzzaun |
Im allgemeinen Sprachgebrauch denkt man bei "Cobot" meist an die vierte Methode, die Leistungs- und Kraftbegrenzung. Viele reale Zellen setzen jedoch SSM und PFL gemeinsam ein, um die Geschwindigkeit zu erhalten: Ist der Mensch weit entfernt, arbeitet der Roboter schnell; nähert er sich, verlangsamt er und bringt den Kontakt in den sicheren Bereich.
Wie wird die Leistungs- und Kraftbegrenzung sicher?
PFL ist die Kombination aus drei ingenieurtechnischen Ebenen:
- Erfassung: Gelenkmomentsensoren oder ein Kraft-/Momentsensor am Handgelenk erkennen einen unerwarteten Kontakt am Kraftanstieg und versetzen den Roboter in einen Schutzhalt.
- Auslegung: Abgerundete Kanten, reduzierte Quetsch-/Scherstellen und eine begrenzte bewegte Masse verringern die Schwere eines möglichen Kontakts von vornherein.
- Geschwindigkeitsmanagement: Die zulässige Geschwindigkeit wird so gewählt, dass selbst der ungünstigste Kontakt unter den Grenzwerten bleibt.
ISO/TS 15066 unterscheidet zwei Kontaktarten, und diese Unterscheidung wirkt sich unmittelbar auf die Auslegung aus. Der transiente (dynamische) Kontakt ist ein kurzzeitiger Stoß, bei dem die Körperregion zurückweichen kann. Der quasistatische (klemmende) Kontakt ist die gefährlichere Situation, in der die Körperregion zwischen dem Roboter und einer festen Fläche eingeklemmt wird und nicht ausweichen kann; deshalb gelten in Klemmszenarien niedrigere Grenzwerte. Diese Grenzwerte werden aus den je nach Körperregion unterschiedlichen Schmerzschwellen abgeleitet; die in einer Anwendung zulässige Robotergeschwindigkeit wird ebenfalls rückwärts aus diesen Grenzwerten berechnet. In diesem Beitrag nennen wir keine konkreten Kraft-/Druckwerte, da die korrekten Werte der einschlägigen Spezifikation und der eigenen Messung der Anwendung zu entnehmen sind.
Ohne Risikobeurteilung gibt es keinen "sicheren Cobot"
Die Sicherheit einer Cobot-Zelle wird nicht auf dem Papier, sondern durch die Risikobeurteilung der jeweiligen Anlage nachgewiesen. Im Rahmen der allgemeinen Grundsätze zur Risikobeurteilung der Maschinensicherheit (ISO 12100) und der Integration von Robotersystemen (ISO 10218-2) werden die Geometrie des Werkzeugs, die Kanten des Werkstücks, die gehandhabte Masse, der Zyklus und die tatsächlichen Bewegungen des Bedieners einzeln betrachtet. In einer leistungs- und kraftbegrenzten Zelle wird das Ergebnis in der Regel durch eine Validierungsmessung bestätigt: Die Kontaktkraft/der Kontaktdruck wird mit biomechanischen Messgeräten gemessen und es wird nachgewiesen, dass sie unter den Grenzwerten bleiben.
Auch die Sicherheitsfunktionen selbst müssen ein Zuverlässigkeitsniveau aufweisen. Beispielsweise ist bei den von Elektrodeha aufgebauten Cobot-Zellen der ROKAE-CR-Serie die Sicherheitssteuerung des Herstellers TÜV-zertifiziert und erreicht nach ISO 13849-1:2015 das Niveau PL d / Kategorie 3; dieses Niveau ist die Voraussetzung dafür, den Roboter ohne separaten Schutzzaun in die Linie zu integrieren. Das Sicherheitsniveau ist ein weitaus konkreterer und messbarerer Begriff als die Aussage "er hält bei Berührung an".
Wo ist er in der Fertigung nützlich, und wo liegen seine Grenzen?
Cobots schaffen Mehrwert bei Aufgaben wie Maschinenbeschickung, Montage, aufnehmergestützter Verschraubung, Pick-and-Place, Poka-Yoke-Prüfung und Palettierung. Ihre wesentlichen Vorteile:
- Platzersparnis und Flexibilität: Bei geeigneten Anwendungen ist kein Schutzzaun erforderlich; der Roboter lässt sich in einen vorhandenen Arbeitstisch oder eine enge Station integrieren und bei Bedarf für eine andere Aufgabe umsetzen.
- Ergonomie: Sich wiederholende, ermüdende oder haltungsbelastende Tätigkeiten werden dem Bediener abgenommen; der Mensch bleibt bei den Schritten, die Entscheidung und Kontrolle erfordern.
- Schnelle Inbetriebnahme: Das Teachen per Handführung verkürzt in manchen Anwendungen die Einrichtzeit.
Ehrlicherweise hat er auch seine Grenzen. Die Leistungs- und Kraftbegrenzung schränkt naturgemäß die Geschwindigkeit ein; daher kann die Zykluszeit einer PFL-Zelle länger sein als die eines eingezäunten Hochgeschwindigkeitsroboters. Sind scharfe Werkzeuge, heiße Oberflächen oder schwere/spitze Teile im Spiel, muss die Zelle häufig durch SSM oder physischen Schutz ergänzt werden. Die richtige ingenieurtechnische Entscheidung löst das Dilemma "Cobot oder klassischer Roboter" anhand des tatsächlichen Risikos und des Zykluszeitziels der Anwendung.
Als Elektrodeha kombinieren wir die SR- und CR-Familien von ROKAE (Cobot-Serien über ein Traglastband von 3–45 kg) mit Greifer-, Sicherheits- und SPS-Komponenten zu schlüsselfertigen Roboterzellen. Unser Ansatz ist besonnen: Zuerst führen wir die Risikobeurteilung der Anwendung durch, dann wählen wir je nach Kraft-/Massen- und Zyklusanforderung zwischen der Leistungs- und Kraftbegrenzung und der Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung und kombinieren beide bei Bedarf. Den Platz kollaborativer Roboter in der Fertigung gestalten wir nach diesen Prinzipien in unseren Zellen für Montage und Verschraubung.