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Kollaborierende Robotik und Industrierobotik in 2017

Kollaborierende Robotik und Industrierobotik in 2017

Wie jedes Branchenblog, -magazin, -zeitschrift oder -clickbaitseite werde ich hier auch mal eine Prognose über das Jahr 2017 abgeben. In der Branchen der kollaborierenden Robotik gab es in 2016 einige große Sprünge. Wie alle anderen Branchenmedien kann ich nun auch prognostizieren: es wird viel mehr AI geben, die Automatisierung der Produktion wird noch bedeutender UND Industrie 4.0 wird auch noch mehr [Anm. d. Red.: Sarkasmus].

Da ich auf solche nichtssagende Listen und Prognosen keinen Deut gebe, liste ich mal auf, was wirklich in 2017 geschehen wird:

1. Die Abssatzzahlen von kollaborierenden Robotern werden dieses Jahr deutlicher steigen und dieses Jahr werden Cobots omnipräsenter bei den SME werden. Der Grund dafür liegt bei den Herstellern. Fanuc wird dieses Jahr seinen CR7-iA auf dem europäischen Markt einführen. Immerhin kann man jetzt schon die Produktbroschüre bei Fanuc abrufen. ABB wird in diesem Jahr endlich den „Yumi 2“ auf den Markt bringen. Schon Ende 2015 wurde ein Video dafür veröffentlicht aber seitdem gibt es offiziell keine weiteren Angaben darüber. Der neue Yumi ist eigentlich nur eine weiß lackierte Version des Gomtec’s Roberta. Das Start-Up Gomtec hat ABB im April 2015 gekauft.

2. Es wird ein Preiskampf im Bereich des Industrierobotik geben. Dieses Jahr werden etablierten Hersteller durch Low-Budget-Industrieroboter aufgeschreckt. Ein Paradabeispiel wird ein 10.000 USD Industrieroboter eines taiwanesichen Unternehmens sein.

3. Der IFR wird für das Jahr 2016 eine Stagnation oder einen Rückgang des weltweiten Absatzes melden. Zwar gibt es in Deutschland ein Wachstum [von mehr als 2 Prozent] und KUKA hat seine Produktionskapazität Ende 2016 nochmals erweitert. In China blieben aber zwei internationale Hersteller auf ihren Robotern sitzen und die Zulieferer von Sensoren, Getrieben und Servomotoren klagten in 2016 über Rückgänge bei den Verkäufen ihrer Produkte. Dies muss im Kontext gesehen werden, dass alle diese Erzeugnisse von chinesischen Roboterhersteller zugekauft werden, d.h. dass die Chinesen [trotz staatlicher Subventionen in Milliarden Höhe und 100 Prozent Finanzierung von Industrierobotern] selbst weniger Roboter verkaufen.

Wie funktionieren Cobots?

Wie funktionieren Cobots?

Erstveröffentlichung: 7.09.2016

Aktualisierung: 08.11.2017

Die Themen ‚Cobots‘ und ‚Industrie 4.0‘ werden immer intensiver von den Unternehmendiskutiert und den Cobots wird eine rosige Zukunft bevorstehen. Die Evolution von ‚Industrie 4.0‘ geschieht durch eine bessere Erfassung der Produktionsprozesse bzw. der gesamten Wertschöpfungskette mit Hilfe von IT. Sozusagen wird der Produktionsprozess nur „IT-lastiger“.

Aber wieso gibt es plötzlich Cobots? Die heutigen Industrieroboter sind schon jetzt sehr „IT-lastig“, einigen Industriemechanikern vielleicht sogar eher „IT-lästig“. Wie kam die Evolution der Industrieroboter zu den Cobots trotz dessen zustande? Die Antwort: durch Ingenieurskunst. An den Beispielen von ABB, KUKA und der Robert Bosch GmbH werde ich die Funktionsweise eines Cobots erklären. In diesem Eintrag wird der Fokus auf der Erläuterung der Technik im Allgemeinen liegen. Die detaillierte Funktionsweise von komplementären Technologien, wie bspw. von Bildverarbeitungssystemen oder Greifersystemen, werde ich dabei außen vor lassen.

Seit dem Jahr 2016 gibt es eine Norm für kollaborierende Robotersysteme: die ISO TS 15066. Diese Norm wurde im Jahr 2017 auch in deutscher Sprache veröffentlicht. Dazu gibt es die bekannten Normen DIN EN ISO 10218-1 (Roboter) und DIN EN ISO 10218-2 (Robotersysteme und Integration). Neben diesen Normen ist die Berufsgenossenschaft Holz und Metall ein kompetenter Ansprechpartner und hat schon sehr viel Erfahrung mit Cobots gesammelt. In der ersten Version dieses Blogeintrages habe ich die Funktionsweise von Cobots noch in zwei Arten unterteilt:

“Die Funktionsweisen kann man in die zwei unterschiedliche Typen „Ante-Kollision“ und „Post-Kollision“ unterteilen. Der APAS der Robert Bosch GmbH funktioniert nach dem „Ante-Kollision“-Prinzip, d.h. noch bevor es zu einem Kontakt oder Zusammenstoß mit einem Objekt kommen kann, stoppt der APAS. Der LBR iiwa von Kuka stoppt erst bei Kollision, also „Post-Kollision“. Dies ist möglich, da trotz hoher Geschwindigkeiten nur ein sehr niedriger Payload gegeben ist, wodurch ernsthafte Verletzungen unwahrscheinlich sind.” (September 2016)

In der neuen Norm TS 15066 wird die Mensch-Roboter-Kollaboration in vier Kollaborationsarten eingeteilt:

  • Handführung,
  • Sicherheitsgerichteter Stopp,
  • Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung und
  • Leistungs- und Kraftbegrenzung.

Die meisten Hersteller nutzen eine Leistungs- und Kraftbegrenzung (bspw. ABB, Fanuc, Kuka, Universal Robots oder Yaskawa) und der DGUV sieht die Leistungs- und Kraftbegrenzung ebenso im Vorteil. Die Hersteller setzen auf Drehmoment- oder Kraftsensoren und weitere Entwicklungen in den Gelenkantrieben. Einzig Bosch APAS und Blue Danube Robotics setzen auf andere Technologien. Teilweise werden Kollaborationsarten auch in Rangfolgen gestellt, um so den jeweiligen Roboter eines Herstellers als “wahre” MRK-Lösung darzustellen. Es kann viel darüber diskutiert werden, was nun eine Mensch-Roboter-Koexistenz oder eine Mensch-Roboter-Kollaboration ist. Meiner Ansicht nach ist die Leistungs- und Kraftbegrenzung keine vollständige Mensch-Roboter-Kollaboration, da ein Zusammenstoß von Cobot (also dem Manipulator) und Mensch in einer kollaborierenden (also zusammenarbeitenden) Beziehung nicht vorkommen sollte. Meine Sichtweise ist dabei konträr zu dem, was die Maschinenrichtlinie 42/2006 EG ermöglicht bzw. erlaubt. Wenn man nun aber die Greifersysteme betrachtet, sollte die Definition von MRK wieder auf die Leistungs- und Kraftbegrenzung ausgerichtet werden. Die Definitionen hängen auch davon ab, ob man den Einsatz von MRK aus sicherheitsrelevanter oder betriebswirtschaftlicher Perspektive betrachtet.

Unter Konformität aller relevanten Sicherheitsnormen (MRL 42/06 und ISO TS 15066) sind Cobots dazu da, damit Mensch und Roboter zusammenarbeiten (bspw. bei der Montage von Kleinteilen). Die betriebswirtschaftliche Perspektive sieht in Cobots eher die Möglichkeit (kosten-) effizienter und prozessorientierter zu produzieren. Ein Beispiel für Ersteres zeigt dieses Video von ABB:

Ein Beispiel für die andere Sichtweise zeigt diesen Video von Rethink Robotics: 

Dort arbeiten die Cobots neben den Mitarbeitern, ohne dass es zu einer direkten Zusammenarbeit kommt. Bei diesen beiden Perspektiven spielt die CE-Zeichnung eine wichtige Rolle. Die Thematik ist sehr komplex und muss von den einzelnen Unternehmensbereichen verstanden werden.

Ein weiterer Punkt, der bei einigen Herstellern (bspw. in Werbevideos) gezeigt wird, ist die Mobilität von Cobots. Das heißt, dass man den Cobot von Maschine A zur Maschine B (quer durch die Produktionshalle) schiebt und diesen kollaborierenden Roboter dann an Maschine B arbeiten lässt. Teilweise ist dies möglich, hängt aber von der Konformitätsbewertung i.S.d. Maschinenrichtlinie ab.

 

ABB

ABB hat im April 2015 die Gomtec GmbH gekauft und sich damit einen der innovativsten Hersteller für Cobots einverleibt. Mit dem Erwerb kamen auch ein paar nette Patente, zum Beispiel ein Patent über kapazitive Sensorik und über das „intuitive Lernen“ des Cobots (vorgestellt auf der Automatica 2014). Auf der iRex 2015 in Tokyo hat ABB dann nun auch den Cobot (früher ‚Roberta‘ genannt) von Gomtec in einem weißen Gewand mit ABB-Logo gezeigt. Bis auf ein Video gibt es noch keine offiziellen Pressemitteilungen und in der Produktbroschüre für 2016 ist dieser Cobot auch nicht aufgeführt. Jedoch wird dieser Cobot die Zukunft für ABB sein, weswegen ich die Funktionsweise des Roberta erklären werde, welche derzeit noch eine Leistungs- und Kraftbegrenzung aufweist. Der Roberta hat sozusagen einen Drucksensor in den Gelenkantrieben jeder Achse und stoppt sobald der Manipulator mit einem Gegenstand in Berührung kommt. Wenn ich zum Beispiel den Manipulator nur minimal (mit geringem Kraftaufwand) in eine andere bzw. die entgegengesetzte Richtung „stoße“, stoppt der Cobot sofort. Das war die bisherige Funktionsweise. In nächster Zeit wird der Cobot aber einen kapazitiven Sensor besitzen und somit einem sicherheitsgerichteten Stopp oder eine Geschwindigkeitsbegrenzung haben. Ein Patent für die „Näherungssensoranordnung“ hat Gomtec schon angemeldet (es ist aber noch nicht erteilt). Diese Erfindung basiert auf einem NASA-Patent über kapazitive Sensorik aus den 90er Jahren. Die Gründe, warum der Roberta noch nicht vertrieben wird, könnte darin liegen, dass ABB Schwierigkeiten bei der Integration der kapazitiven Sensorik hat. Ebenso arbeitet ABB beim Thema ‚Cobots‘ intensiv mit dem Automatisierungstechnikhersteller Festo zusammen.

Festo hat aber selbst einen Prototypen, den BionicCobot, auf der HM 2017 vorgestellt und damit ihren Kooperationspartner hinsichtlich Innovationsgrad brüskiert – genauso mit dem Prototypen BionicMotionRobot.

Bosch APAS

Die kollaborative Technik des APAS basiert auf einem Sensorsystem zur Umfeldüberwachung mit kapazitiven Sensoren, d.h. bemerkt das System ein Objekt innerhalb von bspw. 5 cm, wird ein Impuls weitergegeben, der in diesem Fall den Manipulator des Cobots stoppt. Bewegt sich das Objekt (bspw. der Mitarbeiter) und befindet sich nun außerhalb dieser 5 cm, fährt der Roboter mit seinem Arbeitsauftrag fort. Des Weiteren gibt es noch eine Fernbereichsüberwachung durch Laserscanner.

KUKA

Die kollaborative Technik von Kuka’s LBR iiwa basiert vor allem auf Entwicklungen des DLR und funktioniert nach der Leistungs- und Kraftbegrenzung. Ähnlich dem Cobot Roberta von Gomtec, besitzt der LBR iiwa eine gefedert abgestützte Drehmomentstütze in den Gelenkantrieben. Je nachdem wie man diese Drehmomentstütze einstellt, erzeugt diese ein Rückstellmoment. Kuka arbeitet bei der Weiterentwicklung und Applikation ihres Cobots sehr eng mit Mercedes-Benz zusammen. Daimler nutzt den Cobot bspw. schon bei der komplexen Hinterachsgetriebemontage.

Kuka hat innerhalb des letzten Jahres seine Anzahl an Greifersystemen erweitert Der LBR iiwa ist grundsätzlich in sehr vielen Bereichen anwendbar. Kuka’s Cobot wird auch von vielen Tier0-Zulieferern und Automobilherstellern genutzt.

Viele Cobots arbeiten nach dem gleichen Prinzip

Marktführer Universal Robots (UR-Modelle), Fanuc (CR-Modellreihe), Yaskawa (HC-10), Stäubli, Denso und Rethink Robotics (Baxter, Sawyer) nutzen scheinbar die gleiche Technik (leider ist eine ausgiebige Patentrecherche nicht möglich). Auch diese Cobots arbeiten nach dem System der Leistungs- und Kraftbegrenzung.

Sicherheitsgerichteter Stopp Leistungs- und Kraftbegrenzung
Bosch APAS Fanuc CR4-iA, CR7-iA, CR7-iA/L, CR35-iA
ABB Yumi (TBA) Universal Robots UR3, UR5 & UR10
Yaskawa HC-10
ABB Yumi
Rethink Robotics Baxter & Sawyer
Kuka LBR iiwa
Schunk BionicCobot
Denso Cobotta
Stäubli TX2 Touch
Franka Emika Panda

 

Jeder Roboterhersteller versucht jetzt in diesen Markt zu dringen und das Potenzial abzuschöpfen. Bis auf ABB und Bosch APAS basieren alle auf dem gleichen Prinzip und bringen dadurch Einschränkungen i.S.v. Payload, Geschwindigkeit und Einsatzgebiet. Trotzdem bieten sie für die SME eine neue Möglichkeit zur Automatisierung und Optimierung ihrer Produktionsprozesse. Ich hatte in der ersten Version des Artikels davon gesprochen, dass:

“Ohne neue Entwicklung um sich vom „Post-Kollision“-Prinzip zu entfernen, wird dies zu Preiskämpfen unter den Herstellern führen, sobald die erste Sättigungsphase im Markt eingesetzt hat.”

Diese erste Sättigungsphase hat meiner Meinung nach eingesetzt, denn Hersteller wie Rethink Robotics oder Franka Emika greifen den Cobot-Markt in einer Preisspanne von unter 30.000 Euro an. Bosch bietet den APAS (für Fanuc-Programmierer) seit kurzer Zeit für 50.000 Euro an und ist damit von einer Preispolitik abgerückt, die vormals doppelt so hoch lag.

 

Anmerkung: Bei den verlinkten Patenten handelt es sich um Offenlegungsschriften, d.h. sofern nicht vermerkt, ist das Patent noch nicht erteilt.