Mensch-Roboter-Kollaboration mit einem Cobot von Universal Robots bei BMW im Werk Dingolfing.

Cobots arbeiten in der Regel ohne Schutzzaun in Bereichen, wo sich auch ihre menschlichen Kollegen aufhalten. Eine direkte Zusammenarbeit ist jedoch eher selten. BMW nutzt Cobots zum Beispiel in der Montage im Werk in Dingolfing. - Bild: BMW

| von Susanne Nördinger

Den ersten Cobot entwickelt hat der Roboterhersteller Kuka gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt für Anwendungen in der industriellen Produktion. Das war im Jahr 2004 und es handelte sich um einen Vorgänger des heutigen LBR iiwa.

Zum Durchbruch verholfen hat den Leichtbaurobotern jedoch das dänische Start-up Universal Robots. Das war 2008 als die Dänen den UR5 launchten. Mehr über die Erfolgsstory der Cobot-Pioniere lesen Sie hier. Doch nun zurück zum Thema.

Was ist ein Cobot und warum sind kollaborative Roboter beliebt?

Als Cobot bezeichnet man Roboter, die ohne Schutzzaun direkt mit menschlichen Kollegen arbeiten dürfen. Gegenüber großen Industrierobotern haben sie laut Torsten Woyke, Geschäfstführer des Distributors i-Botics ein paar Vorteile: "Sie sind leicht, lassen sich transportieren und können so auch flexibel eingesetzt werden."

Weiterhin könnten Cobots fühlen und in Kombination mit Kameras auch sehen. Sie sparten Platz, da kein Schutzzaun mehr notwendig ist. Auch die zugehörige Infrastruktur werde kompakter. Das größte Plus ist aber laut Woyke ihre einfache Programmierung.

Damit diese Programmierung noch schneller funktioniert, gibt es unterschiedliche Ansätze. An der 'Technischen Hochschule Nürnberg' läuft zum Beispiel ein Projekt, bei dem mit Hilfe von Virtual Reality und einem Motion-Capturing-Studio in Zukunft Roboter offline programmiert werden sollen. Wie Wissenschaftler Christian Deuerlein erklärt, könne das zum Beispiel die Programmierung beim Schweißen mit dem Cobot vereinfachen.

Das Unternehmen Drag & bot wiederum bietet eine Software-Plattform zur einfachen, graphischen Inbetriebnahme und Programmierung von Robotersystemen. "Das soll die wirtschaftliche Automatisierung auch von kleinen Losgrößen ermöglichen", sagt Firmengründer Martin Naumann. Auch Nicht-Experten seien so in der Lage, kollaborierende Roboter zu programmieren.

Die International Federation of Robotics (IFR) spricht immer dann von Cobots, wenn die Roboter gemäß der ISO 10218-1 für den kollaborativen Einsatz designt sind. In der zugehörigen ISO TS 15066 sind auch Richtwerte für die maximale Geschwindigkeit sowie biomechanische Grenzwerte für den Zusammenstoß zwischen Mensch und kollaborierendem Roboter enthalten.

"Es sollte betont werden, dass Cobots üblicherweise nicht als Ersatz für traditionelle Industrieroboter in etablierten Prozessen eingesetzt werden", erklärt Dr. Susanne Bieller von der IFR. Mit Cobots ließen sich stattdessen neue Märkte und neue Applikationen erschließen. Damit seien sie von enormer Bedeutung für die weitere Entwicklung des Marktes.

Torsten Woyke ist Geschäftsführer des Robotik-Distributors i-Botics.
Cobots sind leicht, lassen sich transportieren und können so auch flexibel eingesetzt werden. Genau darin sieht Torsten Woyke, Geschäftsführer des Robotik-Distirbutors i-Botics ihre Vorteile gegenüber Industrierobotern. - Bild: i-Botics

In welchen Anwendungen spielen Cobots ihre Stärken aus?

In den vergangenen Jahren hat sich für Woyke von i-Botics - der unter anderem die Produkte von Universal Robots vertreibt - gezeigt, dass nur rund 2 Prozent aller Cobots in kollaborierenden Applikationen installiert sind. Von einer kollaborierenden Applikation spricht man, wenn sich der Arbeitsraum von Mensch und Roboter zu 100 Prozent überschneiden, sprich Mensch und Roboter in einem gemeinsamen Arbeitsraum ihre Tätigkeit ausüben. Das sei zum Beispiel der Fall, wenn der Mensch ein Teil bearbeitet während der Roboter es auf einer bestimmten Position hält.

Die meisten Cobots arbeiten Woykes Erfahrung nach in Koexistenz zum Menschen und unterstützen den Arbeiter, sodass sich der Output innerhalb der Applikation durch Einsatz eines Cobots um bis zu 50 Prozent erhöht. "Dabei eignen sie sich genauso für einfache wie auch für komplexe Aufgaben", berichtet Woyke.

Die häufigste Cobot-Anwendung ist nach wie vor das Be- und Entladen von Maschinen, ist sich der Robotik-Experte sicher. Auch in der Montage kämen viele Cobots zum Einsatz. Hier unterstützen sie oft auch beim Kommissionieren der richtigen Teile. "Das erhöht direkt die Qualität", sagt Woyke. Denn ein Roboter greife nicht in die falsche Kiste und reiche dadurch ein falsches Teil. Einem menschlichen Arbeiter könne das passieren.

Automatisierungsquote: Wo arbeiten die meisten Roboter?

Global betrachtet arbeiten im Schnitt 74 Roboter pro 10.000 Mitarbeiter in der Fertigungsindustrie. Das gab die International Federation of Robotics (IFR) in der jüngsten Statistik bekannt. Klicken Sie sich durch und sehen Sie, wie die Roboterdichte laut IFR weltweit verteilt ist.

Bei Schaeffler sind bereits MRK-Applikationen in der Produktion in Betrieb. Das berichtete ein Mitarbeiter des Automobilzulieferers in seinem Vortrag auf der Fachtagung 'Innovativer Robotereinsatz in der industriellen Praxis' an der Technischen Hochschule in Nürnberg.

Ein Beispiel ist die Zuführung von Sensordeckeln für Thermo-Managementsysteme. Ein Universal Robot führt dabei kamerabasiert die Deckel zu. Es handelt sich um eine Ko-Existenz, denn der kollaborative Roboter ist durch ein Lichtgitter gesichert.

Eine weitere Anwendung ohne Schutzzaun findet sich bei Schaeffler zum Abgreifen und Messen von Gehäusen für hydraulische Abstützelemente. Die Teile kommen in dieser Applikation aus der Schleifmaschine und jedes 100. Teil muss gepickt und für Qualitätszwecke ausgemessen werden. Der Messwert wird dann an die Schleifmaschine zurückgespeist.

Hier arbeitet ein UR3 aus der neuen e-Series von Universal Robots im kooperierender Betrieb. Damit das möglich ist, hat Schaeffler die notwendigen biomechanische Messungen durchgeführt und scharfe Kanten in der gesamten MRK-Applikation vermieden.

Ein weiterer Bereich ist das Schweißen. Derzeit gibt es Distributor Woyke zufolge eine große Nachfrage im Bereich 'Schweißen mit dem Cobot'. "Das boomt regelrecht, da es genauer funktioniert als manuelles Schweißen und zudem nicht von der Tagesform des Schweißers abhängt", erklärt der i-Botics Geschäftsführer.

Fanuc zeigte auf der Robotik-Messe IREX in Tokio erstmals den neuen Cobot CRX-10iA.
Fanuc zeigte auf der Robotik-Messe IREX in Tokio erstmals den neuen Cobot CRX-10iA (im Bild vorne). Er ist leichter gebaut und lässt sich einfacher programmieren als die bisherigen Fanuc-Cobots (im Bild hinten in grün). - Bild: Fanuc

Welche Herausforderungen gibt es beim Einsatz von Cobots?

Aufgrund der Regeln in der für die Mensch-Roboter-Kollaboration geltenden technischen Spezifikation ISO TS 15066 dürfen sich Cobots nicht mit voller Geschwindigkeit bewegen. Das bestätigte auch Uwe Wachter vom Automobilzulieferer ZF auf der Fachtagung 'Innovativer Robotereinsatz in der industriellen Praxis' in Nürnberg.

"Die Herausforderung beim Thema Mensch-Roboter-Kollaboration ist und bleibt die Geschwindigkeit, denn eine richtige Kollaboration erhöht immer die Taktzeit", erläutert der Leiter des 'Production Tech Center Robotic and Vision'. Derzeitige MRK-Anwendungen beinhalten daher bei ZF nur wenig Interaktion zwischen Werker und Cobot.

Die Gründe seien eine mangelnde Intelligenz der Cobot-Systeme und Sicherheitsvorgaben. Bei 95 Prozent aller Cobot-Anwendungen im ZF-Konzern arbeiten Mensch und Roboter laut Wachter synchron. Das heißt, sie haben zwar einen gemeinsamen Arbeitsraum, es gibt aber in der Regel keinerlei beziehungsweise sehr wenig Interaktion.

Bei 5 Prozent aller Cobot-Anwendungen im ZF-Konzern kooperieren Mensch und Roboter. Eine Kollaboration – bei der Mensch und Roboter zur selben Zeit am selben Produkt arbeiten – gebe es aktuell im Konzern in der Serienfertigung nicht. In den meisten Fällen werden Cobots für Pick-and-Place-Aufgaben sowie für das Palettieren genutzt, verrät Wachter.

Welche Bedeutung haben Cobots am Markt für Industrieroboter?

Der Anteil der Cobots am Industrierobotermarkt liegt derzeit laut IFR bei gut 3 Prozent (Stand 2018). "Wir sehen aber, dass dieser Anteil weiter steigt, mit überdurchschnittlichen Wachstumsraten im Vergleich zum Industrierobotermarkt", erzählt IFR-Generalsektretärin Susanne Bieller. Von 2017 auf 2018 sei der Anteil bereits um gut 20 Prozent gestiegen.

Den Industrierobotern nehmen Cobots dabei keinen Marktanteil weg. "Die Bereiche, in denen wir heute klassische Industrieroboter einsetzen, werden auch in Zukunft noch wichtig sein", sagt Bieller. Denn da komme es auf Präzision, Wiederholgenauigkeit, Geschwindigkeit und Nutzlast an. Bieller rechnet daher auch zukünftig noch mit Robotern hinter Schutzzäunen.

Stattdessen werden sich Cobots der IFR-Einschätzung nach in neuen Branchen, aber auch in neuen Einsatzgebieten etablierter Branchen, die schon seit vielen Jahren Industrieroboter einsetzen, ausbreiten. "Gut denkbar ist zum Beispiel auch, dass mehr Cobots im Servicebereich eingesetzt werden - und damit eine noch viel präsentere Rolle in unserem täglichen Leben einnehmen", erläutert Bieller.

Yaskawa hat auf der Irex 2019 in Tokio erstmals den neuen Cobot HC20 vorgestellt.
Yaskawa hat auf der 'International Robot Exhibition' (Irex) 2019 in Tokio erstmals den neuen Cobot HC20 vorgestellt. Er bietet eine Traglast von 20 Kilogramm. - Bild: Yaskawa

Wie wird sich der Cobot-Markt in den nächsten Jahren entwickeln?

Grundsätzlich entwickelt sich der Cobot-Markt sehr positiv. "2019 war zum Beispiel ein wirtschaftlich sehr schwieriges Jahr", erklärt Woyke. Cobot-Integratoren haben aber bis zu 66 Prozent Umsatzplus gemacht, berichtet der Roboter-Experte. Gleichzeitig steigen die Einsatzgebiete von Cobots weiter.

So will der Hersteller Rethink Robotics mit seinem Cobot Sawyer auch den Servicerobotik-Markt bedienen und bietet dafür das sogenannte Cobot Café. Es handelt sich dabei um eine Barista-Lösung für Events oder öffentliche Bereiche, in denen klassische Cafés zwar interessant wären, aber aus Platzmangel oder aus wirtschaftlichen Gründen nicht umgesetzt werden können.

Gäste oder Kunden können über ein integriertes Tablet aus acht verschiedenen Kaffeespezialitäten auswählen und ihre Bestellung aufgeben. Sawyer setzt sich dann in Bewegung, bereitet vor den Augen des Kunden die frische Kaffeespezialität zu und gibt diese an den Kunden aus. "Mögliche Einsatzorte wären beispielsweise Foyers von Banken, Museen oder Hotels, sowie Lounges von Flughäfen oder Bahnhöfen", erklärt Rethink-Robotics-CEO Daniel Bunse.

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Es gibt jedoch laut der IFR auch Herausforderungen. Mit der Gewinnung von SMEs und Anwendern aus ganz unterschiedlichen Branchen habe man sich im Cobot-Bereich zwar ein potentiell sehr weites Kundenfeld eröffnet. Allerdings müssten sich Hersteller und Integratoren erst ein gewisses Prozess-Know-How erarbeiten.

Gerade in den Anfangstagen der Cobots entstand oft der Eindruck, dass Cobots ganz ohne Systemintegration auskommen, erinnert sich Bieller. Das sei jedoch nur für ganz einfache Anwendungen der Fall. Gerade die Risikobeurteilung bei komplexeren Anwendungen erfordere einiges an Erfahrung.

Auch sei es ein Irrglaube, dass Cobots die Pauschalantwort auf alle Fragestellungen sind. "Gerade, wenn hohe Geschwindigkeiten, Präzision oder hohe Nutzlasten gefragt sind, können traditionelle Industrieroboter in Kombination mit einer Sensorhaut oder entsprechenden Kameras sinnvoller sein", lautet Biellers Fazit. 

Diese Cobots sind neu auf dem Markt

Mittlerweile bieten zahlreiche Hersteller kollaborative Roboter an. Neben den Etablierten wie Universal Robots, Kuka, ABB, Fanuc und Yaskawa gibt es neue Unternehmen wie Franka Emika, Doosan Robotics, Techman Robot oder Yuanda Robotics. Auch in China entstehen Cobot-Anbieter wie beispielsweise Elephant Robotics oder Siasun.

Seit Dezember 2019 auf dem Markt ist der kollaborative Leichtbauroboter CRX-10iA von Fanuc. Er ist leichter als alle bisherigen Cobots des japanischen Herstellers und kann dadurch auch als mobiler Roboter auf einem fahrerlosen Transportsystem genutzt werden. Seine Traglast beträgt 10 Kilogramm. Die Benutzeroberfläche des Cobots ist so designt, dass sie sich auch für Anwender mit geringer Programmiererfahrung eignet.

Auch Yaskawa hat im Dezember 2019 mit dem HC20 einen neuen Cobot gelauncht. Er bietet eine Traglast von 20 Kilogramm und ist damit aktuell der stärkste Leichtbauroboter der Welt. Gedacht ist er von Yaskawa als sogenannter hybrider Roboter. Dabei sorgt ein sicheres Umschalten zwischen industrieller Geschwindigkeit und kollaborierender Geschwindigkeit - wenn externe Sicherheitstechnik ergänzt wird - für die optimale Leistung.

Momentensensoren in jedem Gelenk stoppen im Fall einer Kollision den Roboter sicher. Die sogenannte Retract Funktion stellt laut Hersteller im Falle einer Klemmsituation, sicher, dass der Roboter innerhalb seiner geteachten Bahn zurückfährt, damit sich der menschliche Kollege befreien kann. Der Roboter kann außerdem während seiner Bewegung sanft weggeschoben werden, wenn er dem Mitarbeiter zum Beispiel bei seiner Tätigkeit im Weg stehen sollte.

 

Rethink Robotics hat den Cobot Sawyer Black Edition neu auf den Markt gebracht.
Rethink Robotics hat den Cobot Sawyer Black Edition neu auf den Markt gebracht. Im Vergleich zum Vorgängermodell besitzt er eine bessere Mechanik und läuft somit laut CEO Daniel Bunse stabiler und zuverlässiger. - Bild: Rethink Robotics

Die Rethink Robotics GmbH hat im Oktober 2019 erstmals die neue Sawyer Black Edition präsentiert. "Nachdem wir die Vermögenswerte der damals insolventen Rethink Robotics Inc. nur ein Jahr zuvor übernommen hatten, haben wir zum Beispiel die Antriebe modifiziert", berichtet CEO Daniel Bunse.

Ebenfalls wurden mechanische Einzelkomponenten ausgetauscht und hochwertigere Materialien eingesetzt. Das Ergebnis sei, dass die Black Edition im Vergleich zum Vorgängermodell zuverlässiger und stabiler sei. "Konkret zeigen sich diese Verbesserungen in einer deutlich geringeren Ausfallrate und höheren Laufruhe, was Sawyers Bewegungen gleichmäßiger und harmonischer macht, sowie Geräuschemissionen minimiert", freut sich Bunse. Dies trage zu einem ruhigeren Arbeitsumfeld bei

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