Den ersten Cobot (collaborative robot) hat Kuka gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt im Jahr 2004 entwickelt. Der Durchbruch kam als Universal Robots 2008 den UR5 auf den Markt brachten. Cobots sind noch eine Nischenanwendung, allerdings mit Potential. 2019 veröffentlichte die „International Federation of Robotics“ Marktzahlen dazu. 2018 betrug der Anteil der Cobots an der Gesamtzahl der installierten Robotereinheiten nur 3,24 Prozent, aber die Installationen stiegen 2018 um 23 Prozent gegenüber dem Vorjahr.
Ursprünglich sollten Cobots ohne Schutzzaun direkt mit dem Menschen zusammenarbeiten, was momentan eher die Ausnahme ist. Um den menschlichen Kollegen zu schützen, dürfen sich Cobots nicht mit voller Geschwindigkeit bewegen und das erhöht die Taktzeit. Dagegen können Cobots und Leichtbau-Roboter vergleichsweise einfach in bestehende Montagelinien integriert werden. Diese Roboter wiegen bis zu wenigen 10er Kilos und lassen sich leicht innerhalb eines Unternehmens versetzen.
„So kann sich der Werker bei hoher Auslastung einen zur Unterstützung holen. Wird ein Manipulator an mehreren Arbeitsstationen nur hin und wieder benötigt, genügt insgesamt einer“, fasst Dr. Werner Krause, Abteilungsleiter am Fraunhofer IPA zusammen. Außerdem sind die Leichtgewichte mittlerweile einfach zu programmieren und schnell in Betrieb zu nehmen.
Leichtbau-Roboter werden mobil
Beide Robotervarianten sind kompakte, mobile Automationssysteme, die modular erweitert werden können. Die verschiedenen Module lassen sich auch nachträglich jederzeit integrieren. Weiter wird die Steuerung immer intuitiver. Zeitintensive Trainings und die Mitarbeit teurer Programmierer werden so überflüssig. Neben der kurzen Amortisationszeit fördert dies auch wesentlich deren Einsatz bei KMUs.
Fast alle zeichnen sich durch sehr bewegliche Gelenke aus. Mit sechs bis sieben Freiheitsgraden und der teilweise unbegrenzten Rotation der Gelenke erledigt der kompakte Roboter auch hochpräzise Montage- und Schraubarbeiten. Dazu kommt eine neue Generation mobiler Leichtbau-Roboter, die völlig autonom arbeiten, an unterschiedlichste Arbeitsplätze fahren, ihr Material nach Vorgaben zusammenstellen und dann die Arbeit aufnehmen können, mit oder ohne menschlichen Kollegen.
KI reduziert Programmieraufwand
Natürlich spielt Künstliche Intelligenz (KI) hier eine wichtige Rolle. „Wir haben uns das KI-Startup micropsi industries dazugeholt, das ein Vision-System anbietet, durch das die Cobots unsortierte Werkstücke verschiedener Form und Größe greifen bzw. manipulieren können“, berichtet Helmut Schmid, Geschäftsführer von Universal Robot Deutschland. Dabei muss man die Aufträge nicht vorab programmieren, sondern der Roboter lernt vom menschlichen Vorführen. Generell dürfte die Integration von KI den Programmieraufwand immer mehr reduzieren, weil Roboter zunehmend selbst lernen, womit sie den 'großen' Brüdern in nichts nachstehen.
Ausgestattet mit smarten Greifsystemen werden Cobot und Leichtbau-Roboter fast zu Alleskönnern. Und dank KI passen die Zwerge bestens zu Industrie 4.0. So können vernetzte Greifsysteme von morgen permanent den gesamten Produktions-Prozess überwachen und die ermittelten Daten an die Prozesssteuerung oder ein übergeordnetes Cloud-System schicken.
„Wenn zuerst die Grundlagen für die digitale Vernetzung zu anderen Produktionssystemen geschaffen werden, dann kann das gesamte Potenzial von Cobots und mobilen Robotern in der modernen Produktion gehoben werden,“ bemerkt Dr. Martin Bleider, Head of Consulting Services bei Hahn Digital.
Erst die einfache und standardisierte Auslesung von Daten zum Zustand einer Anlage und deren Prozessparameter macht die Smart Factory zur Realität. Die digitale Vernetzung erlaubt dann über das Auslesen von Prozess- und Maschinendaten eine Echtzeit-Visibilität der Auftragsabwicklung, was die Transparenz der einzelnen Produktionsprozesse erhöht. Das gestattet die siloübergreifende Datenauswertungen und Prozessparameter und Qualitätsdaten zu verbinden.
Ein weiterer Trend ist die Flexibilisierung der Robotertätigkeit. So muss er zukünftig nicht nur die gleiche Tätigkeit absolut exakt wiederholen, sondern diese auch an externe Faktoren wie zum Beispiel Materialkenndaten automatisiert anpassen können.
Leichtbau-Roboter werden soft
Für noch mehr Sicherheit und noch flexibleren Einsatz arbeiten die Forscher an biologisch inspirierten, in sich nachgiebige Kinematiken. Diese Softrobotik lässt auch neue Anwendungen zu, zum Beispiel als tragbare Robotik wie Exoskelette. Ein wichtiger Bereich sind hier Seilantriebstechnologien.
„Das Spannende an Softrobotik ist, dass mit wenigen aktuierten Freiheitsgraden Applikationen gelöst werden, die in konventioneller Bauart viele Antriebe benötigen“, so Dr. Krause. Während etwa eine konventionell gebaute humanoide Hand über 20 Antriebe verfügt, wird das Soft Robotic Pendant von nur einem Antrieb aktuiert. Soft Gripper lassen sich gut an Leichtbau-Roboter integrieren und passen sich an unterschiedliche Werkstückgeometrien sehr gut an. Über die Greifer hinausgehende Softrobotik-Konzepte können eine neue Klasse von Robotern mit ganz neuen Anwendungen ermöglichen.
Ein anderes Konzept bietet HORST (Highly Optimized Robotic Systems Technology), der die Vorteile kollaborativer und konventioneller Systeme vereint. „Der Roboter basiert mit seinen Viergelenkketten auf einem neuartigen Antriebskonzept, mit einem optimalen Verhältnis von Reichweite und Traglast“, fasst Patrick Zimmermann, CFO und Co-Founder von fruitcore robotics zusammen. Das Robotersystem stemmt bis zu fünf Kilogramm, verfügt über sechs Achsen, benötigt nur 380 x 380 mm2 Stellfläche und bietet viele weitere Features, die die Programmierung auch komplexer Abläufe erleichtern.
Bei dem Roboter werden die Hauptachsen zwei und drei über Viergelenkketten angetrieben. Im Vergleich mit Zahnradgetrieben, entspricht die Kurbel dem kleinen und die Schwinge dem großen Zahnrad. Die Koppel verbindet beide. Rotiert die Kurbel gleichförmig, entsteht an der Schwinge eine nicht lineare Drehbewegung. Damit bewegt sich an manchen Stellen die Schwinge schneller als an anderen. Die Kräfteübertragung verhält sich dazu analog.
Bewegt sich die Schwinge langsam (große Übersetzung), wird mehr Kraft übertragen, als wenn sich die Schwinge schneller bewegt (kleine Übersetzung). „Darüber hinaus leiten die Stäbe der Viergelenkketten Teile der Kräfte auf die Struktur ab, was eine hohe Systemsteifigkeit bei gleichzeitig geringer Masse bedeutet. Weil damit diese Masse nicht mitbewegt werden muss, lässt sich die Leistung der Antriebe effizienter nutzen“, so Patrick Zimmermann. So schafft der Roboter eine vergleichsweise hohe Traglast, Reichweite und Dynamik mit relativ kleinen Antrieben, was sich auch auf den Preis auswirkt.
Dank der in Arbeit befindlichen neuen Konzepte, dürfte die Entwicklung bei Leichtbau-Robotern in den kommenden Jahren spannend werden.
