Autonome Roboter Mobile Robotersysteme brechen Fertigungszwänge auf

Redakteur: Victoria Sonnenberg

Vernetzte Produktionsstraßen, Variantenvielfalt, niedrige Stückzahlen bis hin zu Losgröße 1. Wie können KMU in einer vernetzten und sich ständig verändernden Fertigung flexibel bleiben und trotzdem noch wirtschaftlich produzieren? Eine mögliche Antwort auf die Frage fährt lautlos, umsichtig und autonom durch die Produktionshallen, erledigt kleine Botengänge, übernimmt einzelne Arbeitsschritte und arbeitet friedfertig mit dem Menschen zusammen.

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Für die Erforschung mobiler und automatisierter Herstellung großer Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen stehen der TU Braunschweig zwei mobile, batteriebetriebene Industrieroboter zur Verfügung, die eigenständig große Leichtbaustrukturen produzieren können. Die mobilen Produktionsroboter „KMR Quantec-TUBS“ wurden im Rahmen der Kooperation „DLR@UNI“ vom Institut für Adaptronik und Funktionsintegration der Technischen Universität Braunschweig und vom Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Braunschweig konzipiert.
Für die Erforschung mobiler und automatisierter Herstellung großer Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen stehen der TU Braunschweig zwei mobile, batteriebetriebene Industrieroboter zur Verfügung, die eigenständig große Leichtbaustrukturen produzieren können. Die mobilen Produktionsroboter „KMR Quantec-TUBS“ wurden im Rahmen der Kooperation „DLR@UNI“ vom Institut für Adaptronik und Funktionsintegration der Technischen Universität Braunschweig und vom Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Braunschweig konzipiert.
(Bild: DLR)

Wo die Reise hingeht, fragt sich jeder, der sich mit der flexiblen Produktion und Industrie 4.0 beschäftigt. Im Dickicht der Definitionen und im Dschungel der mannigfachen Lösungen hat einer bereits den Durchblick und kennt seinen Weg genau: nämlich den durch die Produktionshallen.

Der mobile Manipulator auch bekannt als mobiles Robotersystem, ist für die flexible Fertigung fast ein ebenso flexibler Helfer wie der Mensch selbst. Denn der Roboter auf Rädern navigiert unkompliziert und anpassungsfähig einfach da hin, wo er gebraucht wird, prüft unter Spannung stehende Hybridbatterien, handelt heiße Werkstücke und macht eine gute Figur in der Kleinteilelogistik.

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Neu gewonnene Freiheit in der Produktion

„Die Möglichkeiten sind vielfältig. Zunächst einmal sind die Roboter für Transport- und Kommissionieraufgaben einsetzbar, der Manipulator wird für das Greifen von Kleingebinden genutzt. Auch das Einlegen und Herausnehmen aus Maschinen kann erfolgen.

Zudem ist ein Einsatz als Montageassistent möglich, indem der Roboter einzelne Arbeitsschritte übernimmt und kollaborativ mit dem Werker arbeitet“, beschreibt Theo Jacobs, Projektleiter und Certified Machinery Safety Expert am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, die zahlreichen Fähigkeiten des mobilen Roboters. Mit dieser neu gewonnenen Freiheit in der Produktion entfallen nicht nur Schutzzäune und Markierungen am Boden, sondern auch weitere Beschränkungen.

„Mobile Roboter heben bestehende Restriktionen auf und machen den Weg frei für die Realisierung völlig neuer Produktionskonzepte. Wo es Sinn macht, können Roboter jetzt den mobilen Part übernehmen und zu den Werkstücken kommen und Werkstücke müssen nicht mehr zwangsläufig zu den Robotern transportiert werden. Zudem können wir unseren mobilen Werker hochflexibel einsetzen, beispielsweise um Produktionsschwankungen auszugleichen, um zusätzliche Schichten an einem manuellen Arbeitsplatz zu fahren, um in der Nachtschicht Werkzeugmaschinen zu bestücken oder auch um einen aufwendigen Prozess in die Linie bringen, wo und wann er gebraucht wird“, sagt Dipl.-Ing. Gerald Vogt, Group Division Manager Stäubli. Die Aufgaben reichen heute bereits von einfachen Logistikaufgaben über das Be- und Entladen von Maschinen bis hin zur Bauteilbearbeitung.

Weil das mobile Robotersystem in unmittelbarer Nähe zum Menschen arbeitet, hat sich Kuka für die Kombination der mobilen Plattform mit einem MRK-fähigen Roboterarm entschieden, die alle Sicherheitsaspekte beim Umgang mit einem mobilen Robotersystem berücksichtigt.
Weil das mobile Robotersystem in unmittelbarer Nähe zum Menschen arbeitet, hat sich Kuka für die Kombination der mobilen Plattform mit einem MRK-fähigen Roboterarm entschieden, die alle Sicherheitsaspekte beim Umgang mit einem mobilen Robotersystem berücksichtigt.
(Bild: Kuka)

Einen aktiven Teil der Fertigung übernehmen mobile Robotersysteme bereits bei Kuka in Augsburg. Der mobile Roboter KMR iiwa (KMR: Kuka Mobile Robotik) ist eine autonom verfahrende Plattform in Verbindung mit dem sensitiven Kuka-Leichtbauroboter LBR iiwa, der automatisch den Robotermontage-Arbeitsplatz in der Zentralmontage des KR Quantec mit Produktionsmaterial beliefert.

Eine Entwicklung, die der Umstellung der Roboterproduktion geschuldet ist: Kuka hat sein Mehrliniensystem auf eine Linienfertigung nach modernsten Lean-Produktionsmethoden umgestaltet. Für die rund 140 m lange Produktionslinie setzte man verstärkt auf den Automatisierungsgedanken, ein wesentlicher Faktor dabei war die Anlieferung des Montagematerials Just-in-Sequenz. Dafür wurden Lösungen von manuell verfahrbaren Leichtbaurobotern bis hin zu völlig autonom agierenden Systemen entwickelt.

Der Arbeitsalltag vom mobilen Roboter KMR iiwa

Sein Arbeitsalltag sieht vor, dass er Schrauben, Dichtungsringe, Muttern und andere Kleinteile verteilt. Dabei liefert Würth die bestellten Kanban-Boxen an das zentrale Lagerregal. In regelmäßigen Abständen prüft der KMR iiwa sensitiv die einzelnen Regale ab und entnimmt die angelieferten, mit den Kleinteilen bestückten Boxen.

Der Leichtbauroboter hält die Box an einen auf der Plattform montierten QR-Code-Scanner, scannt ihn und erhält somit die Zielposition jeder Box. Anschließend transportiert die autonom fahrende Plattform die Behälter durch die Produktionshalle und liefert sie automatisch an den Arbeitsplatz.

Die Kleinteilelogistik über mobile Robotersysteme ist bereits viel im Einsatz, aber auch in der bislang unterrepräsentierten Großteilebearbeitung, in der eine anstrengende Überkopfmontage ergonomische Herausforderungen an den Werker stellt, spielen die autonomen Helfer vermehrt ihre Stärken aus.

Herausforderung Großteilebearbeitung

Große Bauteile flexibel zu bearbeiten, stellte die Automatisierungsbranche bisher vor große Herausforderungen. „In vielen Bereichen, wie etwa im Schiffs- oder Flugzeugbau oder der Herstellung von Windkraftanlagen, gibt es heutzutage nur begrenzte Automatisierungslösungen. Die bislang dort eingesetzten starren Automationslösungen können weder mit kompakten Abmessungen noch mit Flexibilität punkten. Dennoch sind gerade für diese Arbeitsbereiche aufgrund der hohen Belastungen für den Menschen, zum Beispiel bei Überkopfarbeiten, Automationslösungen gefragt. Auch für die Automation von Prozessen, bei denen sich heute keine Festinstallation eines Roboters amortisiert, sondern nur die Kombination mit einem mobilen System, welches mehrere Arbeitsstationen abdecken kann, fehlten bislang geeignete Lösungen“, erklärt Alois Buchstab, Vice President Advanced Robotic Applications bei der Kuka Roboter GmbH.

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Genau dort setzen mobile Robotersysteme an, die aufgrund ihrer Flexibilität das Zeug dazu haben, neue Einsatzfelder zu erschließen, auf denen bislang Roboter nicht zum Einsatz kamen. So beispielsweise im Flugzeugbau, bei dem mobile Roboter Dichtmasse auf den Flugzeugrumpf auftragen oder Flugzeugbauteile prüfen.

Doch was benötigt der mobile Roboter, um autonom auf der Spur zu bleiben und durch stets ändernde Produktionsstraßen navigieren zu können? „Für die autonome Navigation müssen die Roboter die Umgebung mit Sensoren, wie zum Beispiel Laser oder Kameras, wahrnehmen, selbstständig Pläne von der Umgebung aufbauen und unter Berücksichtigung von dynamischen Objekten optimale Fahrwege berechnen. Dies ist für uns Menschen eine scheinbar einfache Aufgabe, ist aber für Roboter sehr schwierig“, so Prof. Dr. Roland Siegwart, Leiter des Instituts für Robotik und Intelligente Systeme an der ETH Zürich.

Der Apas assistant von Bosch ist darauf ausgerichtet, seine menschlichen „Kollegen“ zu entlasten, etwa bei Arbeiten mit besonderen Sicherheitsanforderungen, einfachen und monotonen Abläufen oder ergonomisch ungünstigen Bewegungsabfolgen.
Der Apas assistant von Bosch ist darauf ausgerichtet, seine menschlichen „Kollegen“ zu entlasten, etwa bei Arbeiten mit besonderen Sicherheitsanforderungen, einfachen und monotonen Abläufen oder ergonomisch ungünstigen Bewegungsabfolgen.
(Bild: Bosch)

Wie Sensorik dem mobilen Roboter zu mehr Sicherheit und Selbstbewusstsein verhelfen kann, zeigt Bosch mit seinem mobilen Apas assistant. Der automatische Produktionsassistent ist für die direkte Mensch-Roboter-Kollaboration konzipiert und wurde von der deutschen Berufsgenossenschaft für die direkte Zusammenarbeit mit dem Menschen ohne zusätzliche Schutzvorrichtung zertifiziert. Eine Besonderheit ist seine speziell von Bosch entwickelte Sensorhaut.

„Die in den Überzug des Roboterarms integrierten kapazitiven Sensoren erkennen, wenn sich ein Mensch im Nahbereich befindet. Die Maschine stoppt, bevor es zu einer Berührung kommt. Erst wenn der Mitarbeiter sich wieder ausreichend entfernt hat, setzt der Roboter die Arbeit fort – an genau der Stelle, an der er die Arbeit zuvor unterbrochen hatte“, sagt Dipl.-Ing. Wolfgang Pomrehn, Produktmanager Apas Assistenzsysteme bei der Robert Bosch GmbH.

Der automatische Produktionsassistent ist für die direkte Mensch-Roboter-Kollaboration konzipiert und wurde von der deutschen Berufsgenossenschaft für die direkte Zusammenarbeit mit dem Menschen ohne zusätzliche Schutzvorrichtung zertifiziert. Hier im Bild wurde der Apas assistant in der Produktionslinie integriert.
Der automatische Produktionsassistent ist für die direkte Mensch-Roboter-Kollaboration konzipiert und wurde von der deutschen Berufsgenossenschaft für die direkte Zusammenarbeit mit dem Menschen ohne zusätzliche Schutzvorrichtung zertifiziert. Hier im Bild wurde der Apas assistant in der Produktionslinie integriert.
(Bild: Bosch)

Eine optionale Zusatzfunktion ermöglicht es dem Apas assistant darüber hinaus, einen applikationsspezifischen Fernbereich zu überwachen. Dadurch passt die Maschine ihre Arbeitsgeschwindigkeit flexibel an die An- beziehungsweise Abwesenheit von Menschen an. In Bosch-Werken übernimmt der Apas assistant beispielsweise das Be- und Entladen von Prüfstationen mit heißen Werkstücken und prüft unter Spannung stehende Hybridbatterien. Dabei können ihn die Mitarbeiter dank seiner Schnellfixierrollen leicht überall dort platzieren, wo sie ihn benötigen.

Automatisierung manueller Arbeitsabläufe

Auch Omronhat sich auf die Automatisierung manueller Arbeitsabläufe in den Bereichen Montage und Handling spezialisiert. Seine mobilen Roboter fahren durch Fertigungsstraßen und erlauben ein schnelles Umrüsten auf individuelle Produktionsarten. Die sicherheitsgeprüften Fahrzeuge erkennen dank ihrer Laser-Sensoren Menschen sowie andere Dinge, die im Weg stehen. Ein Sensor gibt dem mobilen Roboter ein Sichtfeld von 220°, damit das System ortsfesten sowie beweglichen Hindernissen ausweichen kann. In der Zukunft sollen die mobilen Roboter auch Wagen von Position zu Position schleppen können.

„Das ist im Moment aber noch schwierig, da der Roboter in der Lage sein muss, sich auf der Stelle zu drehen, wenn er einem Hindernis begegnet“, erläutert Bruno Adam, europäischer Direktor für mobile Projekte Omron. „In naher Zukunft werden wir hierfür aber eine Lösung haben“, verspricht Adam. Ein weiterer Bereich für Verbesserungen ist die Traglast. „Derzeit kann der größte mobile Roboter (Cart Transporter) 130 kg tragen, was für die meisten Anwendungen reicht“, so Adam weiter.

„Einige Kunden, etwa in der Getränkeindustrie, benötigen Mobilroboter mit größeren Nutzlasten.“ Hier werde man Lösungen anbieten, auch wenn größere Fahrzeuge mehr Regulierungen unterliegen und mehr Sicherheitshürden nehmen müssen. Derzeit wird konkret an der Flottenmanagementsoftware gearbeitet und diese noch weiter optimiert. Aktuell reagiert die Software nur auf den Status der Produktionslinie – der Roboter muss also auf einen Anruf der Planungssoftware warten“, so Adam weiter.

Der vorausschauende Roboter

In der nächsten Generation soll dieser Prozess intelligenter werden, indem die Planungssoftware die Schritte vorausberechnen wird und die Fahrzeuge bereits so positioniert, dass sie bereitstehen, um einen Job zu beenden. „Dies führt zu einer noch größeren Steigerung der Produktivität und die Betriebszeit des Mobilroboters verlängert sich“, führt Adam fort.

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Beim Stichwort Betriebszeit liegt die Möglichkeit einer Steigerung nicht nur in einer optimierten und vorausschauenden Positionierung, sondern auch im Energiespeicher. „Die größten Herausforderungen bei mobilen Plattformen, die sich eigenständig durch die Produktion bewegen sollen, liegen in der Energieversorgung und der Sicherheit.

Wirklich autonom sind Roboter nur, wenn sie über eine eigene Energieversorgung verfügen und nicht immer wieder zu einer Ladestation zurückkehren müssen. Je nachdem, welche Aufgaben die Maschine erfüllen soll, muss das Energiekonzept daran angepasst werden“, so Pomrehn von Bosch. Daneben benötigen autonome Roboter Navigationssysteme, die flexibel auf temporäre und bewegliche Hindernisse reagieren können – und ein umfassendes Sicherheitskonzept.

Die Frage nach letzterem Stichwort muss als erstes geklärt werden, bevor der autonom navigierende Roboter durch die Fertigung rollt. „Um sicher unter Menschen agieren zu können, muss gewährleistet sein, dass keine ungewollten Kollisionen mit dem Menschen erfolgen. Gleichzeitig muss das Sicherheitskonzept so ausgelegt sein, dass geringe Abstände zum Menschen möglich werden, um einen gemeinsamen Arbeitsraum zu nutzen. Dazu sind einerseits kleine, leichte Systeme nötig, andererseits müssen sie über Mechanismen verfügen, um sich an den Menschen anzupassen, beispielsweise sicher reduzierte Geschwindigkeiten und das Umschalten zwischen Arbeitsräumen“, ergänzt Jacobs vom Fraunhofer-IPA.

Bestehende Normen anpassen

Der Status quo des Sicherheitsaspektes ist akzeptabel. Was also bleibt noch zu tun? „Optimierungsbedarf besteht bei der Anpassung von bestehenden Normen. Für den Einsatz normaler AGV’s existieren diese bereits. Sobald aber ein Roboter auf solch einer Plattform bewegt wird, betreten wir Neuland“, resümiert Buchstab von Kuka.

Weiteren Optimierungsbedarf sieht Reinhard Karger, Sprecher des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI), in der Zusammenarbeit: „Eine wichtige Aufgabe dabei ist, die richtige Organisation der Teamarbeit zwischen Mensch und Roboter zu finden, sodass menschliche und künstliche Intelligenz optimal zusammenwirken. Gegenstände zum richtigen Zeitpunkt anreichen und übergeben können Menschen sehr gut, weil sie gleichzeitig eine holistische Vorstellung der Arbeitsergebnisse haben und sehr gut das Timing der einzelnen Arbeitsschritte und -abläufe kennen. Roboter brauchen eine dynamische Fortschrittsplanung, um im konkreten Einzelfall das richtige Werkzeug zum richtigen Zeitpunkt mit der richtigen Geschwindigkeit und im richtigen Winkel anzureichen.“

Am DFKI arbeiten die Forscher derzeit an der Zukunft von sogenannten Mixed-Reality-Lösungen. Dabei bearbeiten Roboter und Kollegen an unterschiedlichen Orten gemeinsam und flexibel Aufgaben. Mithilfe des Mixed-Reality-Systems ist es möglich, Objekte zum Beispiel über eine Microsoft Holo Lens in einer dreidimensionalen virtuellen Repräsentation des Kollaborationsszenarios in Echtzeit zu manipulieren.

Der Mitarbeiter kann mit dem Roboter interagieren, indem er auf die virtuelle Repräsentation des Zielobjekts schaut und durch eine Geste die gewünschte Aktion auslöst. Das heißt, die Handlung oder Geste eines Menschen an einem realen Standort führt zu einer direkten robotischen Aktion an dem anderen realen Standort.

Damit mobile Roboter untereinander, aber auch mit der Produktion enger zusammenwachsen, bedarf es neben gemeinsamen Standards für Schnittstellen noch weiterer Ansätze. „Wie schnell das geht, hängt aus unserer Sicht von folgenden Komponenten ab: Wahrnehmung der Umgebung, Verarbeitung der Daten, einem Sicherheitssystem und zu einem großen Teil von der Akzeptanz der Mitarbeiter“, weiß Andreas Drost, Geschäftsführer MT Robot.

Daten werden auch dabei eine übergeordnete Rolle spielen, die der Roboter selbst auswerten kann, woraus er lernt und noch selbstständiger wird. „Um diese Individualität realisieren zu können, werden Punkte wie Vernetzung, Big Data und Cloud immer wichtiger. Nur durch eine optimale Vernetzung in Verbindung mit mobilen, sicheren Robotersystemen werden wir zukünftig in der Lage sein, die Vielfalt an Produkten zur richtigen Zeit am richtigen Ort effizient herstellen zu können“, so Buchstab von Kuka.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal Maschinenmarkt.de

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