HC10, Bild: Yaskawa

Die geforderte Sicherheit im direkten Kontakt mit dem Bediener gewährleistet der HC10 durch seine Kraft-Momenten-Sensorik in allen Achsen. Bild: Yaskawa

Yaskawa war nicht bei den allerersten Vorstellungen kollaborativer Roboter dabei. Wie ist die Strategie Ihres Hauses?

Hier im Haus haben wir die Entwicklungen am Markt nicht nur verfolgt, sondern uns natürlich auch unsere eigenen Gedanken zur kollaborativen Robotik gemacht – und das von Anfang an. Die Yaskawa Electric Corporation (YEC), sprich unser Mutterkonzern in Japan, hat sich hier die notwendige Zeit genommen, um den Markt zu sondieren, zu analysieren und die Bedürfnisse unserer Kunden bezüglich kollaborativer Robotertechnik genauestens zu eruieren. Deshalb ist YEC nicht gleich auf den ersten Zug, der da bereits im Markt angebotenen Leichtbauroboter in kollaborativer Technik aufgesprungen, sondern hat den HC10 so weit entwickelt, bis er ein wirklicher Industrieroboter, geeignet für alle vier Kollaborationsarten, war.

Thomas Suchanek, Bild: Yaskawa
Thomas Suchanek ist Manager Technical Documentation / Safety bei der Robotics Division von Yaskawa Europe. Bild: Yaskawa

Wie grenzt sich der HC10 von anderen kollaborativen Robotern ab?

Durch seine Reichweite und Traglast, die er stemmen kann. Die zehn Kilogramm Traglast können wir bis zu einer maximalen Hüllkurve von 1,20 Metern zum sogenannten TCP, dem Tool Center Point, realisieren. Das ist für viele das Maß der Dinge, wenn es darum geht, ob sie einen kollaborierenden Roboter als wirklichen Industrieroboter ansehen.

Wirkliche Industrieroboter sollen unter anderem auch schnell arbeiten. Schnelligkeit, das ist nicht gerade eine Eigenschaft, für die Cobots bekannt sind.

Das Thema Langsam muss man wirklich in den richtigen Zusammenhang setzen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen vier bekannten Kollaborationsarten: Das ist zum Einen der sicherheitsgerichtete Stopp, hier ist keine Bewegung des Roboters erlaubt, wenn sich Personen im Arbeitsbereich befinden. Die zweite Kollaborationsart ist die Handführung: Der Roboter bewegt sich nur, wenn er direkt vom Bediener navigiert wird. Dann gibt es die Geschwindigkeits- und Abstandskontrolle: Der Roboter wird bei einer Annäherung durch den Bediener in der Tat langsamer.

Die vierte – und von allen Kunden angefragte – Bedienungsart ist die Last- und Momentenbegrenzung, bei der die entsprechenden Kontaktkräfte und Momente zwischen dem Menschen und der Maschine zu keiner Zeit zu einer Gefährdung für den Bediener führen dürfen. Hier findet eine Verlangsamung der Geschwindigkeit statt, welche dann eine reale Einbuße darstellt. Diese wird in aller Regel von der Robotersteuerung aufgrund des Abstandes des Mitarbeiters zur Roboterinstallation, beziehungsweise zum Bewegungsradius des Roboters gesteuert.

Wenn der Roboter mit entsprechenden Sensoren und mit einer entsprechenden Reaktionsgeschwindigkeit ausgestattet ist, kann das Verlangsamen des Roboters oder das Nicht-Erreichen der gewöhnlichen Geschwindigkeiten nicht mehr so stark ins Feld geführt werden. Abhängig von der Reaktionsgeschwindigkeit der Steuerung sind für die entsprechenden Kräfte, die durch die Applikation auf den Menschen einwirken können, bestimmte Grenzwerte festgelegt und diese Grenzwerte dürfen auf keinen Fall überschritten werden. Wie sich das bei den jeweiligen Roboterherstellern auf die Geschwindigkeit auswirkt, ist von Hersteller zu Hersteller verschieden.

Wo kann hier der HC10 eingeordnet werden? Was sind seine Vorteile?

Der größte Vorteil beim HC10, als sehr industrienaher kollaborierender Roboter, sind sechs Kraft-Momenten-Sensoren – für jede Antriebsachse einer. Das bedeutet, dass jede Achse zu jeder Zeit eine berechnete Bahn, die von der Robotersteuerung vorgegeben wird, abfährt. Mit dieser Bahn sind bestimmte Belastungswerte für den Elektromotor in der Robotersteuerung hinterlegt. Kommt es in geplanter oder ungeplanter Weise zu einer Berührung mit einer in der Nähe stehenden Person oder mit dem Bediener, führt dies zu einem entsprechenden Stromanstieg, der sofort über einen der Kraft-/Momenten-Sensoren an die Steuerung übermittelt wird. Und somit können wir einen Widerstand – aufgrund der Abweichung zwischen der vorberechneten Bahn und der entsprechenden vorberechneten Belastung – sehr schnell und sehr feinfühlig sensorisch erfassen und diesen dann in eine Veränderung der Geschwindigkeit des Roboters umwandeln.

Das geht soweit, dass man den Roboter sogar aus seiner vorgegebenen – geteachten – Bahn pushen kann. Das ist – denke ich – ein Novum, das es so auf dem Markt nicht gibt. Der Roboter weicht so lange aus, wie Sie ihn von seiner Bahn wegschieben. Wenn Sie dann Ihre Hand wieder wegnehmen und der Gegendruck entfällt, fährt er wieder – mit einer sehr sicheren Geschwindigkeit, die nicht unbedingt 250 mm/s entspricht – zurück zu seinem Ausgangspunkt und fährt von dort seine gewohnte programmierte Bahn weiter.

Wie weit entwickelt ist der HC10 aktuell und wie wird es mit ihm weitergehen?

Wir sind aktuell dabei, durch die ersten Ergebnisse aus den Tests und Evaluierungsphasen für reelle praxisbezogene Projekte mit speziell selektierten Key-Kunden in Europa die nächsten notwendigen Entwicklungsschritte zu tätigen. Erste Ergebnisse sind vorhanden, welche jetzt an das japanische Mutterhaus kommuniziert werden.

Motoman HC10, Bild: Yaskawa
Das erste Modell des kollaborativen Motomans bietet eine Reichweite von 1,20 Metern und schafft 10 kg Handhabungsgewicht. Bild: Yaskawa

Kann man schon von einer nennenswerten Marktdurchdringung mit kollaborativen Robotern sprechen?

Hier kann man einen Blick auf die Statistik des IFR werfen: In Deutschland arbeiten pro 10.000 Mitarbeiter im Automotive-Umfeld circa 1140 Industrieroboter und in der General Industry sind es 154 pro 10.000 Mitarbeiter. Ich hoffe auf die nächsten Zahlen vom IFR: Dort sollten dann die Werte für kollaborierende Roboter enthalten sein. Unserer Meinung nach werden hier die Weichen für den wirklich kollaborierenden Roboter gestellt, den man hoffentlich irgendwann wirklich ohne Schutzzaun, mit einer sehr vernünftigen Geschwindigkeit und einem adäquaten Arbeitsbereich sowie einer passenden Traglast betreiben kann. Wie weit und wie schnell uns Anforderungen, die zum Beispiel der demographische Wandel mit sich bringt, weiter in den vermehrten Einsatz von kollaborierenden Roboter treiben werden, wird die Zukunft zeigen.

Gibt es große Unterschiede zwischen Japan und Deutschland?

Die Gesetzeslage, gerade im Umfeld der Normung, wird seit geraumer Zeit international immer mehr auf dasselbe Niveau gehoben und die Anforderungen angeglichen. Zum Beispiel hat die japanische Regierung die in Deutschland ermittelten biomechanischen Grenzwerte zur Schmerzeintrittsschwelle als gesetzliche Vorgabe übernommen.

Die vier Kollaborationsarten für Industrieroboter im Detail

Handführung

Wenn der Roboter für Handführung vorgesehen ist, muss eine Handführungseinrichtung nahe am Endeffektor angebracht sein. Dies kann zum Beispiel ein Kraft-/Momentensensor sein, wodurch der Roboter ähnlich einem Manipulator manuell geführt werden kann. Der Roboter muss dabei mit sicher reduzierter Geschwindigkeit betrieben werden, wobei die Höhe der Geschwindigkeit nicht vorgeschrieben ist, sondern sich vielmehr aus der Risikobeurteilung ableitet. Zusätzlich müssen ein Zustimmungsschalter und eine Not-Halt-Einrichtung leicht erreichbar vorgesehen werden.

Sicherheitsgerichteter Stopp

Beim sicherheitsgerichteten Stopp werden beim Zutritt durch einen Menschen zum Kollaborationsraum die Antriebe sofort gestoppt und in einen sicheren Betriebshalt überführt. Beim Verlassen des Kollaborationsraums setzt der Roboter seine Bewegung ohne Quittierung fort. Die Höhe der Geschwindigkeit wird nach einer Risikobeurteilung festgelegt.

Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung

Bei der Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung werden nichttrennende Schutzeinrichtungen so eingesetzt, dass sich Personen jederzeit dem Roboter nähern können, ohne gefährdet zu werden. Als Schutzeinrichtungen kommen zum Beispiel optische Laserscanner oder 3D-Kameras in Betracht. Sie müssen die Annäherung von Personen sicher detektieren und die Roboterbewegungen entsprechend verlangsamen oder stoppen. Bei Vergrößerung des Abstands setzt der Roboter seine Bewegung fort. Zusätzlich ist zu beachten, dass sich nicht nur die Person der Gefahrstelle nähert, sondern dass sich auch das Robotersystem auf die Person zubewegen kann.

Kraft- und/oder Leistungsbegrenzung

Generell muss sichergestellt sein, dass bei einem Kontakt zwischen Roboter oder Werkzeug und Person bestimmte Belastungskenngrößen nicht überschritten werden. Um den Druck auf die Körperregionen zu minimieren, sollten grundsätzlich alle Kanten des Robotersystems einschließlich der Werkzeuge gerundet sein. Eine Möglichkeit zur Begrenzung der Kontaktkräfte ist der Einsatz von Schutzeinrichtungen direkt auf dem Roboter und gegebenenfalls auf dem Werkzeug. Ein Beispiel sind taktile Schutzeinrichtungen: Sie lösen bei Kontakt mit einer Person einen Stopp aus. Auch eine Kombination von taktilen Schutzeinrichtungen mit kapazitiven oder induktiven Schutzeinrichtungen ist möglich.

Quelle: nach DGUV Information 209-074