Definition Was ist eigentlich ein Cobot?

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Cobots sind Industrieroboter in Leichtbauweise, die mit Menschen zusammenarbeiten können – ohne trennende Schutzeinrichtung. Doch wie unterscheiden sie sich von konventionellen Industrierobotern? Für welche Aufgaben eignen sie sich und welche Sicherheitsaspekte sind in der Praxis wichtig?

Die Bezeichnung Cobot setzt sich aus den englischen Begriffen „Collaborative“ und „Robot“ zusammen und bedeutet kollaborativer Roboter. Cobots sind dafür ausgelegt, mit Menschen zusammenarbeiten und erfordern daher für den gemeinsamen Arbeitsbereich keine trennende Schutzeinrichtung. Teilen sich Mensch und Roboter einen Arbeitsraum ohne Schutzeinrichtung, dann wird das auch als Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) bezeichnet – und diese Zusammenarbeit ist sehr gefragt. Schon seit zirka dem Jahr 2010 gibt es einen wahren Hype um Cobots, mit entsprechend wachsender Anzahl an Anbietern im Markt.

Ihre Beliebtheit und damit ihren Erfolg verdanken Cobots vor allem einer Eigenschaft: Sie ermöglichen insbesondere KMUs einen schnellen Einstieg die Automatisierung bei vergleichsweise niedrigen Investitionskosten.

Welche Aufgaben übernimmt ein Cobot?

Cobots erfüllen in der MRK vielfältige Aufgaben und werden zumeist in Bereichen oder Prozessen eingesetzt, die sich nicht vollständig automatisieren lassen und daher den zusätzlichen Einsatz von Personal erfordern.

Cobots entlasten den Menschen z. B. von repetitiven, monotonen Arbeiten, die auf Dauer ermüdend sind. Sie heben schwere oder komplexe Bauteile und helfen dabei, die Arbeitsergonomie zu verbessern, indem sie Personen unterstützen, etwa bei schwereren Montagetätigkeiten oder Über-Kopf-Arbeiten. Darüber hinaus übernehmen sie auch Tätigkeiten, die für Menschen riskant sein können, etwa das sichere Führen von scharfen, heißen oder spitzen Werkstücken oder den Umgang mit möglicherweise gesundheitsgefährdenden Medien sowie Werkstoffen, beispielsweise beim Kleben, Schweißen, Lackieren, etc. Doch das ist im Grunde nur ein Bruchteil der Potenziale von Cobots.

Cobots

Kostengünstiger Einstieg in die Automatisierung

Einige Beispiele gängiger Einsatzfelder von Cobots in der Industrie:

• Palettieren

• Messen, Prüfen, Testen

• Verpacken und Kommissionieren

• Pressen und Befestigen

• Lackieren

• Montieren, Bestücken, Positionieren

• Auftragen, Kleben, Abdichten

• Schweißen

• Entgraten, Polieren

Wann war die Geburtsstunde des Cobots?

Die ersten Cobots wurden im Jahr 1996 von den beiden US-amerikanischen Professoren James Edward Colgate und Michael A. Peshkin von der Northwestern University im US-Staat Illinois entwickelt. Dies geschah im Rahmen eines von der General Motors Foundation finanzierten Forschungsprojekts, das sich primär zum Ziel setzte, Roboter für die direkte Interaktion mit Arbeitern sicherer zu machen. Den ersten Cobot entwickelte hierzulande wohl 2004 der Augsburger Roboterhersteller Kuka gemeinsam mit dem deutschen Zentrum für Luft -und Raumfahrt. Und das dänische Start-up Universal Robots verhalf den Leichtbaurobotern im Jahr 2008 schließlich zum Durchbruch.

Was unterscheidet Cobots von klassischen Industrierobotern?

Im Grunde gibt es fünf wesentliche Kriterien, die einen Cobot von einem konventionellen Industrieroboter unterscheiden:

• 1. Mensch-Maschine-Interaktion: Cobots sind speziell für die MRK geschaffen und bewegen sich im direkten Umfeld des Menschen. Sie wurden eigens dazu entwickelt, gemeinsam mit Menschen zu arbeiten. Cobots agieren daher in einem kollaborativen Arbeitsumfeld und assistieren Personen bei verschiedensten Aufgaben. Klassische Industrieroboter sind indes zumeist wahre Kraftpakete, die je nach Einsatzbereich sehr schnelle Bewegungsabläufe durchführen und daher beispielsweise mit Schutzzäunen, Lichtschranken, Trittmatten, etc. abgesichert werden müssen, um Unfälle zu vermeiden. Hinzu kommen spezielle Sicherungsfunktionen der Robotersteuerungen, damit der Roboter innerhalb seines vorgesehenen Aktionsradius bleibt. Es existiert somit eine eindeutige Trennung zwischen den Arbeitsbereichen des klassischen Roboters und eines Cobots.

• 2. Entlastung bei riskanten oder anspruchsvollen Tätigkeiten: Ein weiterer wesentlicher Unterschied wurde bereits weiter oben genannt. Cobots erfüllen Aufgaben, die für Menschen riskant sein können, z. B. die Handhabung scharfkantiger Werkstücke oder gesundheitsgefährdender Stoffe. Das Unfallrisiko für den Menschen wird durch Cobots somit entscheidend minimiert.

• 3. Sicherheit durch „intelligentes“ Interagieren: Cobots sind dazu ausgelegt, mit Menschen eng zusammenzuarbeiten. Damit die MRK intensiviert werden kann, sind Cobots mit hochentwickelter Sensorik ausgestattet, die dafür sorgt, dass der Roboter bei der kleinsten Berührung mit einem Menschen anhält. Weil ein Cobot somit keine unmittelbare Gefahr für den Menschen darstellt, sind Schutzzäune oder andere trennende Maßnahmen nicht notwendig.

• 4. Einfache Programmierung: Cobots machen es dem Menschen leicht - in jeder Hinsicht. Daher sind sie besonders einfach zu programmieren. Während klassische Roboter spezialisierte Programmierskills benötigen, ist die Konfiguration eines Cobots zumeist denkbar einfach, zumal einige Modelle in der Lage sind, eigenständig hinzuzulernen. Ein Beispiel hierfür ist, dass der Roboterarm zum Einlernen eines Bewegungsablaufs zunächst von einem Menschen geführt wird und der Cobot anschließend die Aktion automatisch nachahmt.

• 5. Flexibel einsetzbar: Klassische Industrieroboter sind stationär installiert und lassen sich nur mit hohem Aufwand in einen anderen Arbeitsbereich verlegen. Cobots sind mobiler, weil sie sich leichter bewegen lassen und daher bei Bedarf einfach in anderen Bereichen einer Produktionskette einsetzbar sind. Manche Cobots sind zudem so leicht, dass sie von nur einer Person umgesetzt werden können. Die meisten Cobots lassen sich zudem an beliebigen Flächen anbringen - horizontal, vertikal oder an einer Decke.

Kollaborative Roboter

Mit Cobots intelligent Prozesse automatisieren

Welche Komponenten erfordert die Inbetriebnahme eines Cobots?

Jede Anwendung für einen Cobot unterscheidet sich prinzipiell von der anderen, daher ist die Auswahl an Zusatzkomponenten für Cobots breitgefächert. Wenn es darum geht,

Bauteile anzuheben oder zu senken bzw. zu transportieren, dann werden zumeist verschiedenste Greiferkonzepte eingesetzt, die z. B. mechanisch, magnetisch oder pneumatisch sein können.

• Als klassische Lösung gilt ein mechanischer Greifer, mit dem ein Cobot sehr flexibel unterschiedlichste Bauteile oder Werkstücke aus verschiedenen Materialien handhaben kann. Die Auswahl an mechanischen und für Cobots speziell ausgelegten Greifern ist in diesem Zusammenhang sehr groß.

• Magnetische Lösungen transportieren Teile ebenfalls von A nach B. Hierbei werden die Werkstücke jedoch mittels eines Magneten angehoben. Solche Lösungen lassen sich jedoch nur bei ferromagnetischen Bauteilen einsetzen.

• Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Teile pneumatisch anzusaugen, ähnlich wie bei einem Staubsauger. Hierzu wird eine Art Schlauch oder Düse am Roboterarm angebracht, mit dem mittels Saugkraft Teile angehoben werden können. Um ein Teil abzulegen, wird die Saugkraft verringert, sodass es sich vom Roboterarm lösen kann.

Müssen Werkstücke von einem Cobot bearbeitet werden, dann sind entsprechende Werkzeuge am Roboterarm erforderlich. Diese werden auch als Endeffektor bezeichnet. Es geht hierbei also nicht um die Handhabung eines Bauteils, sondern um seine Bearbeitung. Die Auswahl an Endeffektoren ist daher so vielfältig wie die hierfür vorgesehenen Anwendungen: von Werkzeugen für das Schleifen oder Entgraten, über spezielle Düsen zum Auftragen von Klebern oder zum Lackieren von Bauteilen, bis hin speziellen Brennern zum Schweißen, um nur einen kleinen Ausschnitt zu nennen.

Welche Sicherheitsaspekte sind beim Einsatz von Cobots zu berücksichtigen?

Die Besonderheit der MRK ist, dass Cobots in unmittelbarer Nähe zum Menschen bzw. gemeinsam mit ihm arbeiten können. Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist, dass kollaborierende Roboter keine Gefahr darstellen und somit Personen nicht verletzen dürfen.

Mensch-Roboter-Kollaboration

Szenarien für die sichere Zusammenarbeit

Um Berührungen gänzlich zu vermeiden, sind Cobots etwa mit Laserscannern, verschiedensten Vision-Systemen oder Sensorlösungen auf Basis von Ultraschall- oder Radartechnologien ausgestattet, um nur einige Beispiele zu nennen.

Lässt sich der Kontakt zwischen Mensch und Cobot indes nicht vermeiden, muss durch eine Leistungs- und Kraftbegrenzung sichergestellt sein, dass der Roboter keine Gefahr für den Menschen wird.

Welche Sicherheitsnormen sind bei Cobots wichtig?

Roboterhersteller müssen bei der Auslegung von Cobots deren vorgesehenen Arbeitsplatz in die Risikobewertung mit einbeziehen. Grundlage für diese Risikobeurteilung sind neben der Maschinenrichtlinie die Norm EN ISO 10218, Teil 1 und Teil 2, und insbesondere die ISO TS 15066.

Robotik

Neue ISO-Richtlinien für die Zusammenarbeit mit Robotersystemen

Die in Europa harmonisierten Normen EN ISO 10218-1/-2 regeln die Sicherheit von Industrierobotern. Hierunter fallen z. B. Sechs-Arm-Knickarmroboter, Scara-Roboter und Portalroboter, wobei die Normen generell für Systemlösungen mit mindestens drei frei programmierbaren Achsen gelten. Mit der Überarbeitung der für Industrieroboter relevanten Normen wurde auch das seinerzeit noch neue Anwendungsfeld der kollaborativen Roboter geschaffen.

Warum wurden biomechanische Grenzwerte für Cobots relevant?

Aus diesem Grund wurde die ISO TS 15066 ergänzend zu den zuvor genannten Normen hinzugenommen, die sich mit dem Robotereinsatz im Kollaborationsbetrieb befasst.

Weil hierbei auch der direkte Kontakt einer Person mit einem Cobot berücksichtigt wird, mussten zunächst sogenannte biomechanische Grenzwerte ermittelt werden. Hierzu führten die DGUV (Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung) und die BGHM (Berufsgenossenschaft Holz und Metall) mit Unterstützung des IFA (Institut für Arbeitsschutz) und des Fraunhofer IFF (Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung) Untersuchungen im Rahmen von verschiedenen Forschungsprojekten durch. Die hierdurch ermittelten biomechanischen Grenzwerte, die bei einem Kontakt zwischen Cobot und Mensch nicht überschritten werden dürfen, flossen schließlich in die ISO TS 15066 ein.

Die Norm unterscheidet insgesamt vier Arten zur Absicherung des kollaborierenden Betriebs:

• 1. Überwachter Halt: Der Roboter stoppt sofort, wenn ein Mitarbeiter den gemeinsamen Arbeitsraum betritt.

• 2. Handführung: Die Bewegungen des Roboters werden mithilfe von Sensorik durch einen Mitarbeiter gesteuert. Zumeist wird dieser Betrieb durch den Mitarbeiter über einen zusätzlichen Schalter bestätigt.

• 3. Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung: Der versehentliche Kontakt zwischen Mensch und Cobot wird durch Einsatz von verschiedensten Sicherheits- bzw. Sensorsystemen (Laserscanner, Lichtschranken, Kamerasysteme, etc.) vermieden. Wird eine solche nicht trennende Schutzeinrichtung aktiviert, muss die Bewegung des Cobots sofort stoppen.

• 4. Leistungs- und Kraftbegrenzung: Die Kontaktkräfte zwischen Mensch und Cobot werden durch Festlegung maximaler Kraft- und Druckwerte auf ein ungefährliches Maß begrenzt. Die ISO TS 15066 legt hierzu im Anhang A die Schmerzschwellen für verschiedene Körperregionen anhand von biomechanischen Grenzwerten z. B. für Kopf, Hand, Arm und Bein fest.

Cobots

Profis für die kollaborative Zusammenarbeit

Welche Arten von Cobots gibt es?

Diese Frage ist nicht leicht zu beantworten, denn der Markt hält eine Fülle an Lösungen parat und wächst weiterhin. Das Spektrum reicht hier von ein- oder mehrachsigen Cobots mit einer Traglast unter 1 kg bis hin zu Robotern für Traglasten von bis zu 20 kg. Ebenso breitgefächert ist die Auswahl hinsichtlich der Reichweiten, die schätzungsweise bei 500 mm anfangen und bis nahezu 1.500 mm gehen können. Auch in Punkto Geschwindigkeit und Eigengewicht gehen die technischen Daten von Cobots weit auseinander, z. B. Geschwindigkeiten von 70 mm/s bis 2.000 mm/s und Eigengewichte von 8 kg bis rund 1.000 kg.

Hersteller von Cobots

• ABB

• Aubo Robotics

• Beckhoff

• Bosch Rexroth

• Doosan Robotics

• Fanuc

• Franka Emika

• Fruitcore Robotics

• F & P Personal Robotics

• Hahn Robotics

• Hanwha

• Igus

• Kassow Robots

• Kawasaki

• Kinova

• Kuka

• Mabi

• Mitsubishi

• Omron

• Pilz

• Rethink Robotics

• Stäubli

• Techman

• TM Robotics

• Universal Robots

• Yamaha

• Yaskawa

Bei der Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen:

Wikipedia,
DGUV,
wiki.induux,
Hannovermesse,
Industrie-wegweiser,
Schmachtl,
Hahn Robotics,
Kuka,
Universal Robots,
Fanuc,
ABB,
Sick,
PTS Group,
Fraunhofer IAO,
Unchained Robotics

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