Mensch soll mit Industrieroboter zusammenarbeiten, geht das?

Die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter in gemeinsamen Arbeitsbereichen ist gefragter denn je. Der Trend zu Roboterzellen ohne Schutzzäune und möglichst kleiner Baugröße hält in der Industrie weiter an. Dabei soll der Roboter möglichst einfach und ohne Kompromisse in manuelle Arbeitsschritte integriert werden.
Um diesen zunehmenden Bedarf an Mensch-Roboter-Kollaboration nachzukommen, sind kreative Ideen und praktikable Lösungen notwendig. Dabei sollen die Vorteile einer klassischen Industrieroboterzelle wie Geschwindigkeit, Genauigkeit, hohe Produktivität und Langlebigkeit keinesfalls zu kurz kommen. Zusätzlich spielt auch die Traglast des Roboters eine wesentliche Rolle, diese ist bei den vorhandenen Mensch-Roboter Kooperationen bisher sehr begrenzt.

Kollaborative Roboter können diese hohen Ansprüche der Industrie nicht bedienen, da sie mit deutlich geringeren Geschwindigkeiten und geringeren Traglasten als Industrieroboter arbeiten. Auch im Bereich der Konnektivität und Integrationsmöglichkeiten in bestehende Anlagen werden die Grenzen rasch ersichtlich. Aus diesem Grund bietet KUKA zusammen mit SICK und Blue Danube Robotics nun eine Gesamtlösung an, die sowohl höchste Produktivität und neueste Sicherheitsstandards für kollaborative Anwendungen miteinander kombiniert. Dabei wird vor allem eine sichere Zusammenarbeit zwischen Roboter und Mensch garantiert und das bei Traglasten von mehreren 100 kg. Ein reibungsloses Zusammenspiel aller Komponenten wird dabei durch die Robotersteuerung und dem KUKA Technologiepaket Safe-Operation möglich.

Die Systemvariante sBot_Speed CIP für KUKA der Firma SICK kombiniert einen microScan3 mit der Sicherheitssteuerung Flexi Soft und dem EFI-pro-Gateway. Das bereits verifizierte Sicherheitssystem ermöglicht eine sichere simultane Überwachung mehrerer Schutzfelder und detektiert zusätzlich Personen, die unter Umständen hinter den abgesicherten Bereich treten. Die roboterspezifischen Einstellungen und Kommunikationsparameter sind bereits vorkonfiguriert und lassen sich Dank EtherNet/IP™ CIP Safety™ schnell und sicher in die Robotersteuerung KUKA KRC4 integrieren. Das spart wertvolle Zeit in der Projektierung und Evaluierung des Sicherheitskonzeptes.

Mit dem microScan3 wird die Roboterzelle permanent überwacht und der Arbeitsbereich in drei Zonen eingeteilt (siehe Abbildung). Befindet sich keine Person im Gefahrenbereich (grüner Bereich) kann der Roboter lineare Geschwindigkeiten bis zu 2 m/s erreichen. Ein vergleichbarer kollaborativer Roboter arbeitet maximal mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s. Nähert sich eine Person dem Roboter und befindet sich diese somit im orangen Bereich wird die Geschwindigkeit des Roboters so reduziert, dass diese den Anforderungen laut Risikobeurteilung nach ISO TS15066 entspricht. Der orange Bereich dient als Detektionsbereich und wird als Pufferzone eingesetzt, damit der Roboter auf die folglich erforderliche Geschwindigkeit reduzieren kann. Das Betreten des gelben Bereichs aktiviert nun die sichere Überwachung dieser reduzierten Geschwindigkeit. Sollte diese überschritten werden, stoppt der Roboter mit einem Sicherheitshalt 1 (bahnnaher NOT-HALT) laut EN 60204. Werden nun der orange und gelbe Bereich des Laserscanners wieder verlassen und befindet sich somit keine Person im Gefahrenbereich, beschleunigt der Roboter eigenständig auf die programmierte Geschwindigkeit.

Das Technologiepaket SafeOperation ist dabei die Schnittelle zwischen den Sicherheitskomponenten. Es verarbeitet die Signale der Sicherheitsschnittstelle, überwacht die Roboterbewegung und bietet noch weitere Sicherheitsfeatures. Diese sind unter anderem das Definieren von sicheren Überwachungsräumen, das sichere Überwachen der Geschwindigkeiten und die regelmäßige Justagereferenzierung. Mit diesen zusätzlichen Funktionen kann die Position des Tools während des gesamten Betriebs überwacht werden und der Roboter bei Fehlverhalten sicher gestoppt werden. Um bei Störungen oder Verletzungen von Raumgrenzen die Roboterbewegungen schnell genug stoppen zu können, muss ein einwandfreier Zustand der Bremsen gewährleistet werden. Dies erfolgt durch einen automatischen Bremsentest. Dabei wird zyklisch überprüft, ob die Bremsmomente der Motoren ausreichend hoch sind und bei Bedarf für einen sicheren Stopp des Roboters sorgen.

Damit auch die Bedienung zwischen Industrieroboter und Mensch möglichst praktikabel und effizient erfolgt, kommt das Optionspaket KUKA.Handguiding zum Einsatz. Das Steuerungspaket ermöglicht eine drahtlose Handführung von Industrierobotern auf besonders benutzerfreundliche Art. Die Steuerung erfolgt über eine am Roboter montierte 6D-Maus, die das Programmieren von Bewegungspunkten und das Aufzeichnen von Bewegungssequenzen möglich macht. Dadurch kann der KUKA Industrieroboter auf einfache und intuitive Art und Weise bewegt werden. Die Verwendung dieses Pakets erfordert weder eine Schulung noch eine zeitaufwändige Einschulung der Mitarbeiter.

Um einen reibungslosen Betrieb gewährleisten zu können, muss auch die Kommunikation zwischen den Komponenten harmonieren. Dabei erfolgt die Anbindung des SICK Sicherheitssystems (Sicherheits-Laserscanner microScan3 + Sicherheitssteuerung Flexi Soft) an die Robotersteuerung über einen sicheren Feldbus wie Ether-Cat/FSoE, EtherNet/IP/CIP Safety oder PROFINET/PROFIsafe. Die AIRSKIN wird über 2 Kanäle an die Sicherheitseingänge der Sicherheitssteuerung angeschlossen.

Zusammen mit den Partnern Blue Danube Robotics und SICK erfolgte eine sorgfältige Auswahl der Komponenten, um eine möglichst einfache Integration bei höchstem Sicherheitsstandard zu ermöglichen. Der Testaufbau erfolgte im KUKA Application-Center in Steyregg, wo das Zusammenspiel der Komponenten ausführlich überprüft und getestet wurde.