Mensch und Maschine Hand in Hand: Was für manche wie die Konkurrenz zwischen Arbeiter und Roboter klingt, sehen die Produzenten und Kunden von Robotern als Pfad in die Zukunft. Kollaborative Roboter sollen vorwiegend Entlastung von monotonen Tätigkeiten bieten – und künftig noch smarter mit dem Menschen zusammenarbeiten. Die Anbieter der automatischen Helfer bringen ihre Systeme dazu derzeit auf Industrie-4.0-Kurs.

Aufgaben im Umfeld Testing und Batteriemontage

Im noch jungen Jahr präsentieren die Hersteller von Robotern gerade ihren Visionen und Produkte. So kürzlich auch ABB und Stäubli. Dass man einen Bedarf für smarte Automation gerade in kleinen und mittleren Unternehmen erkenne, sei nicht zuletzt dem hohen Kostendruck und der bei vielen Zulieferbetrieben verlangten Flexibilität in ihren Prozessen geschuldet, so die Unternehmen. Bei den Roboterherstellern nimmt man im Bereich Automotive derzeit zwar eine eher verhaltene Nachfrage wahr. Die Wachstumsfelder liegen aktuell, auch Corona-bedingt, vielmehr in den Bereichen Food und Pharma sowie in der Photovoltaik. Doch gerade für die neuen schnellen und intelligenten Systeme sieht man auch im Automobilsektor einen wachsenden Bedarf jenseits von Body-in-White. So etwa auf den Gebieten Testing, der Elektrik/Elektronik sowie der Batteriemontage, sagt Stäubli-CEO Gerald Vogt.

Mit einem erweiterten Cobot-Portfolio sowie Produkten mit noch höherer Geschwindigkeit und Traglast will ABB Robotics 2021 im Markt Erfolge erzielen. Sami Atiya, Leiter des ABB Geschäftsbereichs Robotik & Fertigungsautomation, betonte kürzlich im Rahmen einer Pressekonferenz des Unternehmens, dass sich der Robotikmarkt im letzten Jahr mehr verändert habe als in den 30 Jahren zuvor. Man befinde sich in einer Dekade, in der künstliche Intelligenz in das Arbeitsleben dringe und in der die Digitalisierung wie auch Unsicherheiten den Rahmen bilden. Antworten darauf werde die Automatisierung und Robotik gerade mit jenen Produkten bieten, die sich durch hohe Sicherheit und Bedienerfreundlichkeit auszeichnen. Zur Strategie zähle überdies, neuen Branchen und Erstanwendern den Weg in die Automatisierung zu ebnen.

Breites Anwendungsfeld bei repetitiven Aufgaben

Zu den definierten Bedarfen im Markt gehört für die Verantwortlichen bei ABB ein gefächertes Angebot an kollaborativen Robotern, den Cobots. Bereits vor fünf Jahren sei man mit diesem Thema an den Start gegangen und könne nun drei Cobot-Familien anbieten, die den Marktbedarf abdecken. Acht von zehn Unternehmen planen in den kommenden zehn Jahren verstärkt Roboter einzusetzen. Dies zeigt eine im Auftrag von ABB unter 1.650 CEOs durchgeführte Branchenstudie. Treiber für die geplanten Anschaffungen sei freilich auch die aktuelle Coronapandemie, heißt es dazu. Fast die Hälfte der befragten Unternehmen (43 Prozent) gab demnach an, mit dem Einsatz von Robotik die Gesundheit und Sicherheit von Mitarbeitenden am Arbeitsplatz verbessern zu wollen. 51 Prozent sagten gar, dass mit Hilfe von Robotern die Abstandsregeln besser eingehalten werden können, und mehr als ein Drittel (36 Prozent) zieht die Nutzung von robotergestützter Automatisierung in Erwägung, um die Qualität der Arbeit für die Mitarbeitenden zu verbessern. Darüber hinaus gaben stolze 78 Prozent der Geschäftsführerinnen und Geschäftsführer an, dass es schwierig sei, Personal für repetitive und körperlich anstrengende Tätigkeiten zu gewinnen und zu halten.

Mit den kollaborativen Robotern der neuen Familien GoFa und Swifti adressiert ABB etwa neben der Nahrungs- und Gesundheitsbranche auch die Bereich Elektronik und Logistik. Die Systeme sollen sich intuitiv bedienen lassen, sodass Kunden nicht auf ausgebildete Inhouse-Programmierer mit Fachkenntnissen angewiesen seien, hört man von den Robotik-Experten. Sie sehen darin ein wachsendes Zukunftsfeld. Die Cobots habe man so konstruiert, dass sie innerhalb kürzester Zeit nach der Installation einsatzbereit sind, ohne dass dazu ein spezielles Training erforderlich wäre. Branchen mit geringem Automatisierungsgrad sollen so die Möglichkeit erhalten, umfassend von der Automatisierung zu profitieren, sagt Sami Atiya und hebt hervor, dass für die hauseigenen Drag-and-Drop-Systeme keine Coding-Kenntnisse erforderlich sind. Wer ein Tablet oder Smartphone bedienen könne, werde dank der hauseigenen Tools für ein schnelles Setup auch ohne Schwierigkeiten die neuen Cobots programmieren können.

Cobots sollen Schnelligkeit und Präzision bieten

Die jüngsten Entwicklungen, die Wettbewerber Stäubli Robotics derzeit präsentiert, kommen aus den vier Produktfamilien Industrieroboter, kollaborative und mobile Roboter sowie fahrerlose Transportsysteme, FTS oder AGV. Alle Produkte sind Stäubli zufolge kompatibel mit Industrie-4.0-Standards und können mit geringfügigen Modifikationen auch als Power-Cobots für die direkte Mensch-Roboter-Kollaboration eingesetzt werden. Die Cobots gehören laut Stäubli zu den schnellsten und präzisesten auf dem Markt.

Der Hersteller, der die meisten Roboter in Frankreich herstellt, sieht im Thema Industrie 4.0 eine enorme Chance für das Robotik-Umfeld. Man blicke auf ein gutes Jahr 2020 zurück und sehe dank umfangreicher Angebote für die intelligente Fabrik zuversichtlich in die Zukunft, so Unternehmenschef Gerald Vogt. Vom Roboter bis hin zu den AGVs begleite man mit dem Repertoire die verschiedenen Produktionsstufen in der Industrie. Zur Zukunftsstrategie zählt „die Sicherstellung höchster Leistungsparameter der Produkte in immer anspruchsvolleren Einsatzbereichen, gepaart mit einer hervorragenden Gesamtbetriebskostenbilanz (TCO)“, schildert Christophe Coulongeat, beim Unternehmen neuer Group Division Manager Robotics weltweit.

Bei Stäubli hat man das ehrgeizige Ziel formuliert, in den nächsten zehn Jahren zweistellige Wachstumsraten einzufahren. Zu den Produkten auf dem Weg zu diesem Ziel zählen insbesondere die Vier- und Sechs-Achs-Roboter für den unteren und mittleren Lastbereich, die mit Industrie-4.0-Standards kompatibel sind. Mit geringfügigen Modifikationen lassen sich diese auch als Power-Cobots für die direkte Mensch-Roboter-Kollaboration einsetzen.

Die jüngste Roboterserie TX2-140/-160 des Unternehmens verfügt über eine Traglast von 40 Kilogramm und eine maximale Reichweite von etwas über zwei Metern. Neben den Anforderungen der Photovoltaik- und Metallindustrie erfüllen die neuen Modelle auch die Anforderungen der Automobilindustrie. Das Unternehmen stellte dieser Tage überdies eine größere Plattform des mobilen Roboters HelMo vor. Er soll das Be- und Entladen schwerer Teile oder Werkzeugwechselprozesse automatisieren und für mehr Produktivität, Flexibilität und Autonomie bei den Anwendern beitragen.

Künstliche Intelligenz wirtschaftlich nutzbar machen

Für weitere Fortschritte müssen die Systeme immer intelligenter werden. Wie KI für Roboter nutzbar gemacht werden kann, wird im Forschungskonsortium Cyber Valley erforscht. Das aus Partnern aus Wissenschaft und Industrie zusammengesetzte Konsortium, zu dem neben der Max-Planck-Gesellschaft, die Fraunhofer-Gesellschaft und -Institute, die Universitäten Stuttgart und Tübingen, BMW, Daimler, Porsche, Bosch, ZF und IAV zählen, soll das neueste Knowhow aus der Forschung noch besser und schneller in Produkte und Geschäftsmodelle umzusetzen. Als Teil des Cyber Valley soll das KI-Fortschrittszentrum Lernende Systeme des Fraunhofer IAO (Arbeitswirtschaft und Organisation) sowie des Fraunhofer IPA (Produktionstechnik und Automatisierung) Firmen dabei unterstützen, die wirtschaftlichen Chancen von KI für sich zu nutzen. Zudem will man Antworten auf Megatrends wie den demografischen Wandel, die Individualisierung und die Themen Nachhaltigkeit und Digitalisierung finden.

In sogenannten „Exploring Projects“ haben die KI-Expertenteams der Fraunhofer-Institute seit Oktober 2019 bereits 13 verschiedene KI-Anwendungen prototypisch umgesetzt. Das Zentrum biete Firmen einen geschützten Raum, um Ideen für KI-Anwendungen ohne finanzielles Risiko zu erproben, schildert Matthias Peissner, Leiter des Forschungsbereichs Mensch-Technik-Interaktion am Fraunhofer IAO und ergänzt: „So lernen sie die Potenziale des Maschinellen Lernens einzuschätzen und zu nutzen.

Speziell die kollaborative Robotik fokussiert überdies das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF im Projekt RoKoRa – Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) mithilfe hochauflösender Radare. Im MRK-Markt bewege sich viel, der große Durchbruch bleibe bislang aber aus, heißt es dazu am Fraunhofer-Institut. Grund seien Sicherheitsbestimmungen, die es performanten Robotern nicht einfach machen und von gängigen Sensorlösungen nur unter großen Effizienzeinbußen befolgt werden können. Beim Projektabschluss von RoKoRa im Dezember 2020 wurde eine kontaktlose 3D-Sensorlösung demonstriert, die nun einen Durchbruch in der MRK herbeiführen könnte.

Radarsensorik könnte MRK zum Durchbruch verhelfen

Dazu werden kompakte Radarsensoren vernetzt auf dem Roboterarm angebracht, wodurch sie eine Art mitbewegende Schutzhülle bilden. Ziel ist es, in diesem Schutzraum Personen und deren Annäherungsverhalten in nahezu Echtzeit zu erfassen. Eine situationsabhängige Anpassung der Roboterbewegung soll eine sichere und effiziente Interaktion mit praxistauglichen Geschwindigkeiten ermöglichen. Der Demonstrator, der im Zuge von RoKoRa entstand, zeigt einen Radarsensorring mit dazugehörigem Sensorknoten. Dieser erlaubt eine zuverlässige 360°-Distanzmessung selbst bei Dunst, Rauch, Staub und sonstigen optischen Einflüssen und soll sogar dielektrische Objekte durchdringen können.

Der Sensorring besteht aktuell aus 16 Radarmodulen, von denen acht für eine 360°-Überwachung ausreichen. Die zusätzlichen acht Module fungieren als funktionale Redundanz. Somit habe er nicht nur eine größere Messreichweite als gängige kapazitive Sensoren, sondern auch eine erhöhte Robustheit im Vergleich zu optischen Alternativen, heißt es von Seiten der Wissenschaftler. Zwei Prozessoren werten die Messdaten unabhängig voneinander aus und ein dritter gleicht die Ergebnisse ab, bevor die Informationen zur Steuersoftware des Roboters weitergeleitet werden. Darüber hinaus soll er es erstmals auch großen und leistungsstarken Robotern mit höheren Nutzlasten ermöglichen, in kürzeren Taktzeiten mit Menschen zu interagieren.

Einzigartig an dem Kooperationsprojekt sei die frühe Verbindung der Sensorbauelemente mit realen Robotersystemtechnologien unter durchgängiger Berücksichtigung relevanter Sicherheitsaspekte auch auf Forschungsebene, heißt es beim Fraunhofer-Institut. Um dies zu gewährleisten, wurde das Projekt vom industriellen Anwender Audi, dem Roboterhersteller Fanuc sowie dem Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) unterstützt. Die im Projekt entwickelte Radarsensorik wird als aussichtsreiche Enabler-Technologie gesehen, heißt es von Seiten des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, BMBF, welches das Projekt förderte. Für einen Praxistransfer müsse die Sensorik des Forschungsprojekts – idealerweise zusammen mit einem Sensorikhersteller – nun jedoch noch industrialisiert und zertifiziert werden.

Cobots verlangen nach neuen Peripherie-Lösungen

Bei neuen Pick-and-place- und Belade-/Entladeanwendungen werden zunehmend Cobots eingesetzt. Dadurch steige auch in neuen Märkten die Nachfrage nach sicheren, anwendungsfreundlichen und schnell einsetzbaren Peripherie-Produkten für Cobots, wissen die Experten für Automation, Spanntechnik und Fernhantierung von Destaco. Sie haben einen Werkzeugwechsler auf den Markt gebracht, der den Werkzeugwechsel in weniger als drei Sekunden ohne körperliche Anstrengung des Bedieners und ohne Verwendung zusätzlichen Werkzeugs ermöglichen soll. Das TC1 genannte System besitzt vier integrierte Druckluftdurchführungen sowie optionale Elektro-Durchführmodule für den direkten Anschluss an den Steckverbinder des UR Roboterarms oder Werkzeugs. Mit einem Gewicht von 330 Gramm und einer Höhe von 25 Millimeter soll der Werkzeugwechsler nur geringen Einfluss auf die Tragfähigkeit des Cobots nehmen. Er wurde für mehrere Möglichkeiten der Roboter-/Werkzeugplatten-Montage ausgelegt.

Einen ganzen Getriebebaukasten für Leichtbauroboter stellen die Kunststoff-Experten von igus vor. Das Unternehmen, das hauptsächlich für seine Kabelführungen in der Automation bekannt ist, stieg vor geraumer Zeit auch ins Segment der Low-Cost-Automation mit Servicerobotern ein. Im Zentrum des Baukastens für Cobots steht dabei das vollintegrierte Tribo-Wellgetriebe mit Motor, Absolutwert-Encoder, Kraftregelung und Controller.

Im vergangenen Jahr hat igus eine neue Generation an Tribo-Wellgetrieben für die Bewegung an der 5. Roboterachse vorgestellt. Reibung und Verschleiß werden hier durch schmierfreie Tribo-Polymere optimiert. Der neue Getriebebaukasten für Cobots, den igus auf der Hannover Messe 2021 zeigt, ergänzt nun das Angebot im Bereich der Low-Cost-Automation. Mit der Plug-and-Play-Lösung lässt sich igus zufolge auf Basis der Getriebe mithilfe von Verbindungselementen ein individueller Roboter konstruieren - dank der zusätzlichen elektronischen Komponenten auch als Cobot.

Wir sehen für unsere leichten Kunststoff-Wellgetriebe Marktchancen in Robotern, die komplett unter acht Kilogramm wiegen“, schildert Alexander Mühlens, Leiter Low-Cost-Automation bei igus und präzisiert: „Bei der Robotik in der Low-Cost-Automation ist neben der Traglast und einem günstigen Preis immer auch das Eigengewicht wichtig. So lassen sich leichte Roboter einfacher transportieren und effizienter auf fahrerlose Transportsysteme, auf siebten Roboterachsen oder in naher Zukunft sogar an Drohnen einsetzen.

Die neuen vollintegrierten Wellgetriebe sollen auch in einer neuen Version des igus-Serviceroboters ReBeL zum Einsatz kommen. Ziel ist es, den ReBeL bereits ab geringen Stückzahlen für 2.900 Euro auf den Markt zu bringen. Wie Robotik-Experte Mühlens betont, soll er zwei Kilogramm tragen können, eine Reichweite von bis zu 650 Millimetern besitzen, beim Eigengewicht unter zehn Kilogramm liegen und eine Mindestlaufzeit von zwei Millionen Zyklen bieten.

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