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Expertenbeitrag

Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik

Assistenzroboter Roboter assistieren den Menschen in der Produktion

Der Einsatz von Assistenzrobotern im Produktionsalltag nimmt zu. Doch für eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration ist die passgenaue Sicherheitssensorik genauso wichtig wie die geeignete Greifertechnik.

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Bei Thyssen-Krupp System Engineering werden die Ansätze von MRK und Industrie 4.0 beispielsweise in der Montage genutzt.
Bei Thyssen-Krupp System Engineering werden die Ansätze von MRK und Industrie 4.0 beispielsweise in der Montage genutzt.
(Bild: Thyssen Krupp System Engineering)

Die zweite VDI-Fachkonferenz „Assistenzroboter in der Produktion“, die am 9. und 10. Dezember in München stattfand, setzte sich mit der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) im Industriealltag auseinander. Am Institut für Mechatronische Systeme der ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ist die Entwicklung zur Integration von Mensch und Roboter in einem Arbeitsraum bereits seit zehn Jahren ein Thema.

Am IMS Institut für Mechatronische Systeme werden Technologien entwickelt, welche es ermöglichen, die sogenannte Assistenzrobotik sicher und nutzbringend für produzierende Unternehmen einzusetzen.

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Prof. Dr.-Ing. Hans Wernher van de Venn, Institutsleiter und Tagungsleiter, erklärt: „Vor dem Hintergrund von Industrie 4.0 hat dieses Thema eine besondere Bedeutung gewonnen. Assistenzrobotiklösungen sind in der Produktion eines der Schlüsselelemente des Industrie-4.0-Konzeptes. Sie erlauben intelligente, aufgabenadaptive Prozessführungen, neue Formen der Mensch-Roboter-Kooperation und eine effiziente Produktion bis zur Stückzahl eins, wenn sie richtig eingesetzt werden.“

Grundsätzlich sind Anwendungen, welche ein hohes Maß an intelligenter Prozessführung enthalten, besonders geeignet für Assistenzrobotikanwendungen. Ebenso komplexe Füge- und Montageoperationen und Abläufe mit monotonen und sich wiederholenden Operationen, vor allem in Verbindung mit ergonomisch ungünstigen Arbeitsbedingungen oder schweren Werkstücken. „Damit leistet die Assistenzrobotik auch einen wichtigen Beitrag zur Arbeitsergonomie und der künftigen Problematik der alternden Belegschaft von Unternehmen. Die Kombination vom Menschen mit seinen kognitiven Fähigkeiten und der Maschine mit Kraft, Ausdauer und Genauigkeit kommt hier am besten zur Geltung“, unterstreicht van de Venn.

Hand in Hand mit dem Roboter

Ein konkretes, serienreifes Anwendungsbeispiel für die Mensch-Roboter-Kollaboration mit schweren Traglasten stellten Judith Apold, Projektingenieurin Neue Fertigungstechnologien, und Harald P. Schenk, Gruppenleiter Exterieur, Zentrale Fertigungsplanung der Adam Opel AG in Rüsselsheim, vor. In einem gemeinsamen Pilotprojekt mit dem Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg wurde der Türeinbau beim Opel Insignia mittels MRK umgesetzt. Eckdaten, die dabei sichergestellt wurden, waren sowohl die realen Opel-Produktionsdaten als auch der Fließbetrieb in Originaltaktzeit.

„Der Roboter greift die über ein Gehänge angelieferte Fahrzeugtür und positioniert sie an der Einbaustelle. Dabei überwachen Laser-Scan-Systeme den Arbeitsbereich des Roboters. Sollte der Mitarbeiter in dieser Phase in den Bewegungsbereich des Roboters eintreten, stoppt dieser sofort. Dem Mitarbeiter wird über eine Signallampe angezeigt, ab wann er in den Arbeitsbereich eintreten darf. Hat der Roboter die Tür positioniert und die Synchronisierung mit der Linie abgeschlossen, betritt der Mitarbeiter seinen Arbeitsbereich, befestigt die Tür am Fahrzeug und erteilt abschließend per Knopfdruck die Freigabe für den Roboter, der in die Ausgangsposition zurückfährt und mit der nächsten Montageoperation beginnt. Der Mitarbeiter muss dazu den Arbeitsbereich des Roboters verlassen, der ab dann wieder per Laserscanner überwacht wird“, beschreibt Apold den Prozess.

Assistenzroboter in der Kunststoffindustrie

Die Vorteile für die Umsetzung liegen nicht nur in der Verbesserung der Ergonomie und der Entlastung von schwerer Arbeit durch den Roboter. „Die Technologie ist deutlich flexibler. Der Roboter kann weitaus mehr unterschiedliche Türmodelle greifen als das bislang im Einsatz befindliche Handling-Gerät. Eine Umrüstung bei Modellwechseln oder für zusätzliche Modelle entfällt somit“, benennt Apold einen weiteren Nutzen. Der 2-armige pi4 workerbot3 der pi4 robotics GmbH aus Berlin kann auch komplexe Bewegungsaufgaben sehr effizient ausführen. So werden zum Beispiel Fügeaufgaben ohne zusätzliche Halterung mit beiden Armen problemlos erledigt. Die integrierte Bildverarbeitung und Kraftsensorik ermöglichen außerdem die Realisierung von feinfühligen Fügeaufgaben und die gleichzeitige Qualitätskontrolle der eingesetzten Halbzeuge und des Endprodukts.

Matthias Krinke, geschäftsführender Gesellschafter der pi4 robotics GmbH, sagt: „Assistenzroboter können die Wirtschaftlichkeit der Fertigung in Europa stärken und auch ältere Arbeitnehmer bei körperlicher Arbeit unterstützen. Durch eine aktuelle Kundenapplikation unseres Unternehmens können beispielsweise Lohnkosten von bis zu 12.000 Euro im Monat bei durchgängigem Betrieb eingespart werden.“ Auf der VDI-Fachtagung in München stellte er die Möglichkeiten des 2-armigen Assistenzroboters an einem Produktionsbeispiel aus der Kunststoff verarbeitenden Industrie dar.

Automatisierung für sensitive Roboter

Die klassische Automatisierung zeichnet sich durch enorme Präzision und hohe Wiederholgeschwindigkeit aus und hat erhebliche Qualitäts- und Produktivitätssteigerungen ermöglicht. Bei flexiblen und veränderlichen Prozessen ist jedoch noch vieles offen.

Dort setzt die sensitive Automatisierung an. Sie bringt die menschliche Kompetenz von Kontaktgefühl und adaptiver Anpassung in die industrielle Automatisierung. Damit wird für die empfindsame Handarbeit ein konstant reproduzierbares Qualitätsniveau definiert und eine exakt skalierbare Produktivitätssteigerung ermöglicht.

„Nur spontan und intuitiv angepasst reagierende Geräte erlauben eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration. Die sensitive Automatisierung stellt solche Lösungen zur Verfügung“, weiß Dr. Ronald Naderer, Gründer und CEO der Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH aus Linz. „Bedarf an sensitiver Automatisierung besteht überall dort, wo Gefühl gefragt ist oder veränderliche Prozessszenarien Wandelbarkeit und Flexibilität erfordern: Montagetätigkeiten, Oberflächenbearbeitung, Spanen, Fügen oder Handling. Das betrifft alle Materialien und zieht sich durch alle Branchen“, so Naderer weiter.

Aus Marktanalysen geht hervor, dass für die Robotik und insbesondere für Mensch-Roboter-Applikationen ein großes Wachstumspotenzial besteht. „Bei heute realisierten MRK-Applikationen liegt der Fokus auf Robotern mit geringer Traglast. Bereits hier sind viele Randbedingungen zu berücksichtigen, um die normativen Vorgaben, wie zum Beispiel erlaubte Stoß- und Quetschkräfte, nicht zu überschreiten. Oft geht dies nur mit zusätzlichen Absicherungen“, erklärt Dr. Rüdiger Frank, Senior Manager Sensors bei der Pilz GmbH in Ostfildern. Bei Robotern mit höherer Traglast, so Frank weiter, sei die Herausforderung deutlich größer. „Hier wird die sichere Sensorik der Schlüssel sein, um überhaupt solche MRK-Applikationen realisieren zu können.“ In München stellte er unter anderem Formen der sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration nach ISO 10218-1 und ISO 10218-2 vor sowie MRK mit dem Kamerasystem Safety Eye.

Verbesserte Ergonomie und gesteigerte Flexibilität im Vordergund

Auch Thyssen-Krupp System Engineering beschäftigt sich mit den Ansätzen von MRK und Industrie 4.0 und nutzt diese beispielsweise in der Montage. „Hier werden die Erkenntnisse genutzt, um Roboter und Menschen miteinander zu vernetzen, sodass der Roboter als Assistenzmedium genutzt werden kann“, sagt Dr.-Ing. Eckhard Wellbrock, R&D und Standards bei der Thyssen-Krupp System Engineering GmbH in Bremen. Vor allem aber stehen auch hier die Verbesserung der Arbeit im Vordergrund, also die Verbesserung der Ergonomie, sowie eine Steigerung der Flexibilität und der Produktqualität.

* Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde ist Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik in 99094 Erfurt, Tel: (03 61) 78 94 46 95, info@bose-munde.de, www.bose-munde.de

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