Rise of the Cobots: Hand in Hand mit der Maschine

Roboter sind stärker, ausdauernder und präziser als der Mensch. Allerdings fehlt den Maschinen die Fähigkeit, ihre Kraft zu dosieren und Probleme selbstständig zu lösen. Daher werden in der Industrie 4.0 vermehrt „Collaborative Robots“, also Cobots, eingesetzt, die an der Seite des Menschen arbeiten. Spezielle Technologien und integrierte Sicherheitsfunktionen sollen dabei die Sicherheit garantieren.

Roboter sind aus der Industrie 4.0 nicht wegzudenken, sie haben die Branche geprägt. Erobert, könnte man beinahe sagen. Zu den weltweit rund 1,8 Millionen Industrierobotern (Stand 2017) sollen laut der International Federation of Robotics (IFR) bis 2020 etwa 1,7 Millionen weitere dazukommen. Aus Fabriken und Produktionshallen sind in vielen Branchen Smart Factories geworden: robotergestützt und selbstlernend. Eine völlig neue Form der Zusammenarbeit innerhalb dieser Smart Factories ermöglichen dabei die sogenannten Collaborative Robots, kurz: Cobots. In direkter Nähe und ohne Absperrung arbeiten diese Maschinen mit dem Menschen. Damit die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) sicher abläuft, bedarf es entsprechender Safetysysteme. Zukünftig sind diese Systeme mit integrierten Sicherheitsfunktionen auf Basis von Embedded-Lösungen ausgestattet und erlauben somit weitere Sicherheitsfunktionen bei gleichzeitig steigender Integrationsdichte.

Präzise Montage-Helfer in der Prozessindustrie

Der demografische Wandel, der Mangel an Fachkräften und der Bedarf nach höherer Produktivität machen den Einsatz von Robotern notwendig. Und durch die Kollaboration von Mensch und Maschine lassen sich die besten Eigenschaften eines Arbeiters vereinen: Auge-Hand-Koordination, Kraftdosierung und die Fähigkeit zur selbstständigen Problemlösung des Menschen, kombiniert mit der Präzision, Bahntreue und Ermüdungsfreiheit eines Roboters. Während die Automobilindustrie als Vorreiter in der Roboter-Nutzung gilt, haben die Kollegen aus Stahl und Draht auch die Prozessindustrie erreicht. So arbeitet beispielsweise das italienische Chemieunternehmen „MARKA“ mit Cobots. Der Hersteller von Reinigungsmitteln nutzt einen Roboterarm, um die Deckel auf seine Produkte zu schrauben. „Wegen der Form des Deckels war es schwierig, einen Griff und eine präzise Positionierung zu erreichen. Der Grund für die Wahl eines kollaborativen Roboters von Universal Robots war, dass er genau das konnte“, so Sergio Melite, ein spezialisierter Facharbeiter bei MARKA.

„Kollaborierende Roboter sind keine Zukunftsmusik. Es gibt bereits marktreife Technologien. Ein Hauptgrund, warum wir nicht mehr echte Cobots im Einsatz sehen, ist die Komplexität der Sicherheitszertifizierung.“
Kurt Nielsen,
DTI Center for Robot Technology in Dänemark

Vier Methoden für eine sichere Zusammenarbeit

Schwere Arbeiten abzunehmen, erfordert Kraft. Die richtige Präzision zu finden dagegen die passende Dosierung. Über beides verfügt ein Cobot – wenn er entsprechend eingestellt ist. Damit die Maschinen nicht ihre menschlichen Kollegen gefährden, gilt es die Regelungen der ISO-Norm für Industrieroboter zu beachten. Die sieht vier Methoden vor, die zur Zusammenarbeit gewählt werden können:

  • Handführung: Wenn sich bei einer Kollaboration Mensch und Roboter einen Arbeitsraum teilen und physischer Kontakt besteht, wird der Roboter manuell geführt, beispielsweise durch einen Joystick oder einen Kraft-Momentsensor. Der Roboter darf sich nur mit überwachter Geschwindigkeit bewegen.
  • Sicherheitsbewerteter überwachter Halt: Bei einer Koexistenz arbeiten Mensch und Roboter in verschiedenen Arbeitsräumen oder ­zumindest nicht gleichzeitig in einem. Der Roboter wird gestoppt, sobald der Mensch den Kollaborationsraum betritt und läuft automatisch wieder an, wenn er ihn verlässt.
  • Geschwindigkeits- und Abstandüberwachung: Mensch und Roboter arbeiten gemeinsam in Kollaboration, sequenzieller Kooperation oder in paralleler Kooperation, wenn sie sich einen Arbeitsraum teilen und gleichzeitig arbeiten, jedoch kein physischer Kontakt besteht. Dabei bewegt sich die Maschine nur in reduzierter Geschwindigkeit und Sensoren überwachen den Abstand zum Menschen. Unterschreitet der Roboter den Mindestabstand, wird er automatisch gestoppt.
  • Leistungs- und Kraftbegrenzung: Die Kraft des Roboters ist sensorisch, mechanisch und elektronisch begrenzt, ebenso der Druck bei einer Kollision. Diese Methode eignet sich für jede Form der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine.

Eine sichere Zusammenarbeit ist ohne sicherheitsgerichtete Überwachung der Roboter praktisch undenkbar. Unfälle wie 2015 in einem VW-Werk nahe Kassel sollen damit der Vergangenheit angehören. Damals war ein Arbeiter ums Leben gekommen, weil ein Roboter nicht ausreichend abgesichert war. Aufgrund einer Fehlfunktion hatte die Maschine den Arbeiter gegen ein Gitter gedrückt, tödliche Quetschungen im Brustbereich waren die Folge.

Roboter als Ziel von Hackern

Funktionale Sicherheitstechniken allein reichen jedoch nicht, um die Mitarbeiter vor ihren neuen Kollegen zu schützen. Sind die Roboter mit dem Internet verbunden, können sie zum Ziel von Cyberangriffen werden. Gelangt ein Hacker ins Innere der Maschine, kann er sie zu Spionagezwecken nutzen oder den Menschen und den Produkten in ihrer Umgebung Schaden zufügen. Wie leicht das gehen kann, wurde auf der CeBIT 2017 eindrucksvoll bewiesen. In einer 600 Kilometer entfernten Fabrikhalle warf ein Roboter einen Stapel Kartons um, gesteuert aus Hannover. Das Beispiel zeigt: Gibt es eine Sicherheitslücke, können Cyberangreifer die Roboter für ihre Zwecke nutzen. Und die dürften in der Realität weniger harmlos sein als ein umgeworfener Karton.

Mitarbeiter der US-Security-Firma IOActive drangen beispielsweise bei einem Test 2017 in den NAO-Roboter und den Industrie-Roboter-Arm von Universal Robots ein und setzten die Notmechanismen der Maschinen außer Kraft. Ob Handführung oder Kraftbegrenzung: Die Sicherheitsmethoden sind dann obsolet.

Der TÜV-zertifizierte Kollege

Mit den entsprechenden Technologien gesichert, verändern Cobots die Arbeitswelt der Industrie. Wäre da nicht die Zertifizierung dieser künstlich intelligenten Mitarbeiter. Von der Risikobeurteilung über das Sicherheitskonzept bis zur sicherheitstechnischen Prüfung: Der Weg, bis ein Roboter beispielsweise vom TÜV für die Arbeit zugelassen wird, ist lang.

Abkürzen lässt sich das Verfahren aber durch die Implementierung bereits zertifizierter Embedded Solutions für Safety und Cybersecurity. Selbst im Falle einer Modifikation muss dann die Zertifizierung nicht komplett neu beantragt werden. Damit wird auch die Einführung unterschiedlichster Robotik-Systeme in kurzer Zeit möglich.