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Cobots für das Handwerk Hand in Hand mit dem Roboter

Kollaborative Roboter werden immer kleiner, flexibler und günstiger. Die so genannten Cobots könnten dem Handwerk schon bald ernorme Arbeitserleichterungen verschaffen.

Feinfühlig, präzise und niemals arbeitsmüde – so präsentiert sich eine neue Generation von kleinen Robotern, die auf der Hannover ­Messe zu sehen war. Die kollaborativen Roboter, besser bekannt als Cobots, sind weitaus kompakter, flexibler und vor allem günstiger als die gewöhnlichen Industrieroboter und sind somit auch für das Handwerk eine vielversprechende Technik. Vor allem, weil sie dank eingebauter Sensoren ihre Umgebung und Menschen in der Nähe erkennen können. Smarte Oberflächen reagieren zudem auf kleinste Berührungen. In einer Gefahrensituation stellen die Cobots rechtzeitig ihre Arbeit ein. Das macht es möglich, sie aus ihren ­"Käfigen" herauszuholen und in einem Raum direkt mit dem Handwerker zusammenarbeiten zu lassen.

Prof. Dr.-Ing. Dirk Jacob, Vizepräsident Lehre und Qualitätsmanagement an der Hochschule Kempten und Experte für Robotik und Automatisierung, weist jedoch darauf hin, dass Greifer und/oder Werkzeuge am Roboter ebenso passend gestaltet sein und überwacht werden müssen, damit Mensch und Maschine wirklich Hand in Hand arbeiten können. "Was bringt ein sensitiver Cobot, wenn als Werkzeug eine hochdrehende Spindel mit extrem scharfen Werkzeug befestigt ist, das für Verletzungen beim Menschen extrem niedrige Kräfte benötigt?", so Jacob.

Unter dieser Berücksichtigung ist es bereits heute möglich, Cobots im Handwerk einzusetzen. Und das inzwischen für wenige tausend Euro. Ein Trend ist die sogenannte "Low Cost Robotic". Dabei lassen sich Roboter mithilfe von Baukästen relativ frei vom Kunden zusammenstellen. Das Ganze erinnert ein bisschen an die kreative "Makerszene" in der additiven Fertigung, besser bekannt als 3-D-Druck, die ganz neue Anwendungen geschaffen hat. Allerdings sollten Kunden beim Kauf des Roboters darauf achten, ein etabliertes Modell zu verwenden. Nicht ausgereifte Systeme könnten am Ende zur Kostenfalle werden.

Cobots werden nicht müde

Die Nutzungsmöglichkeiten der Cobots sind weit gefächert. Vor allem dort, wo sich wiederholende, ermüdende und körperlich anstrengende Arbeiten anfallen, können die Cobots den Handwerker entlasten und ihm so zuarbeiten, dass er sich auf die anspruchsvollen Arbeitsschritte konzentrieren kann, bei denen sein handwerkliches Können gefragt ist.

"Im Fokus werden einfache Pick-and-Place-Aufgaben stehen. Einlegen von Bauteilen in Werkzeugmaschinen. Stapeln/Abstapeln und Umsortieren von Bauteilen. Und auch einfache Montagearbeiten", skizziert ­Jacob das Potenzial der Cobots.

Robonet 4.0

Unter dem Namen "Robonet 4.0" ist ein Projekt in Planung, das die Einsatzmöglichkeiten von Robotern in kleinen und mittleren Handwerksbetrieben untersucht. Projektpartner sind die Handwerkskammer für Unterfranken und das Fraunhofer IGCV. "Robonet 4.0" ist Teil von "Handwerk Digital", einem Förderprojekt, das von der Handwerkskammer für Schwaben initiiert wurde. Ziel ist es, Methoden und Technologien der Industrie 4.0 auf ihre Anwendbarkeit im Handwerk zu untersuchen. Die Laufzeit des Projekts beträgt drei Jahre bei einem Gesamtvolumen von über zwei Millionen Euro. Fördergeber ist die bayerische Staatsregierung.

Die Roboter können den Handwerker zudem überall dort unterstützen, wo riskante Arbeiten zu erledigen sind. Zum Beispiel beim ­"sicheren Führen von scharfen, spitzen oder heißen Gegenständen – etwa beim Schmied, Schweiß- oder gefährlichen Schraubarbeiten", sagt Sven Zehl, Referent Industrial Internet & IoT beim Digitalverband Bitkom. Damit können im besten Fall im Unternehmen Arbeitsunfälle reduziert werden.

Dank der überschaubaren Größe der Cobots – die ohne große Schutzumgebungen auskommen – lassen sie sich auch in Betrieben nutzen, die nicht über großzügige Produktionshallen verfügen, sondern nur eine kleine Werkstatt besitzen. Mit den verwendeten Leichtbaukomponenten müssen sie auch nicht zwangsläufig auf dem Boden befestigt werden, theoretisch sind Installationen auf beliebigen Flächen – etwa an Tischen oder an der Decke – denkbar.

Fertigung in Kleinserie

Eine große Hürde beim Einsatz von Robotern im Handwerk sind die fehlenden Spezialisten zur passgenauen Programmierung. Hier zeigen sich die neuen Cobots sehr umgänglich. Auch ohne besondere IT-Kenntnisse lassen sich viele Modelle binnen kürzester Zeit auf den gewünschten Einsatz vorbereiten. Programmierung und Steuerung erfolgen über eine grafische Benutzeroberfläche auf dem PC oder teilweise über intuitive Apps, die sich auf dem Tablet-PC installieren lassen, die der Handwerker ohnehin schon in die Arbeitsprozesse integriert hat. "Damit wird eine Hürde normaler Industrieroboter, die aufwändige Programmierung, erheblich reduziert. Somit können auch Aufgaben für kleine und mittlere Stückzahlen einfach programmiert werden", sagt Dirk Jacob von der Hochschule Kempten.

Robotik im Handwerk

Cobots sind zudem lernfähig. "Im Gegensatz zu Industrierobotern lernen einige Cobots eigenständig, zum Beispiel indem der Roboterarm einfach geführt wird und der Cobot dann die Aktion automatisch nachahmt", erklärt Bitkom-Experte Zehl. Im Arbeitsalltag kann der Cobot so etwa eine vom Handwerker vorgegebene Form für ein Werkstück passgenau ausschneiden oder eine Naht präzise schweißen. Die künstliche Intelligenz der Geräte kommt hier zum Tragen.

Als klassisches Industriethema galt die Robotik bisher auch deshalb, weil sie für die automatisierte Herstellung von Massenware genutzt wird. Solche Geräte sind für die meisten Handwerksbetriebe wenig nützlich, da sie ihre Produkte oft individuell und in kleiner Stückzahl herstellen. Auch hier sind die kollaborativen Roboter inzwischen flexibler und ermöglichen die Automatisierung von Produktionen in kleinen Losen bis hin zur Losgröße 1.

Starkes Wachstum erwartet

Dirk Jacob erwartet eine weiter steigende Nachfrage für die Cobots und geht davon aus, dass die Hersteller neue Modelle auf den Markt bringen werden, die das Handwerk ansprechen. Das dürfte zu einem weiteren Rückgang der Preise führen. "In Verbindung mit verbesserter Bildverarbeitung werden Cobots noch flexibler werden und eine weitere Verbreitung finden", ist Jacob überzeugt.

Die Prognose bestätigt Bitkom-Vertreter Zehl: "Experten gehen davon aus, dass der Cobot-Markt schon in wenigen Jahren so groß sein wird wie der Markt für klassische Industrieroboter und ein durchschnittliches Umsatzplus von bis zu 50 Prozent und mehr pro Jahr haben wird."

Trotz begründeter Euphorie sieht Zehl auch eine große Herausforderung auf die Betriebe zukommen, die Robotik nutzen. Das Thema Datensicherheit. Wenn Cobots mit der restlichen Firmen-IT vernetzt sind, müssten Sicherheitskonzepte für alle Netzwerkzugänge vorliegen und ein Bewusstsein muss bei allen Beteiligten zum richtigen Umgang geschaffen werden, etwa mit Wechseldatenträgern, Sicherheitsupdates etc., so der Experte. Anderfalls könnten die Roboter für Hacker interessant werden.

Befürchtungen, dass der Einzug der Cobots vielen Handwerkern die Arbeitsplätze wegnehmen könnte, hat Jacobs nicht. Er geht davon aus, dass Cobots für das Handwerk in kleinen und mittleren Betrieben eine Entlastung von hochqualifiziertem und knappem Fachpersonal von wiederholenden Tätigkeiten ermöglichen werden. Bitkom-Experte Zehl rechnet damit, dass es durch den Einsatz der Cobots auch mehr Menschen mit Handicap ermöglicht wird, im Handwerk zu arbeiten.

Sollten die Fachleute recht behalten, können sich Handwerker in Zukunft stärker denn je auf ihre Meisterfertigkeiten konzentrieren und Routinejobs den Cobots überlassen.

Weitere Einblicke in das Thema Robotik bietet zum Beispiel der YouTube-Kanal Next Robotics.

Fünf Fragen an Albrecht Hoene, Director Mensch-Roboter-Kollaboration Forschung & Entwicklung, Kuka

DHZ: Was machen Cobots für kleine und mittelständische Betriebe interessant?

Hoene: Zur direkten Zusammenarbeit von Mensch und Roboter, der sogenannten Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) kommt es v.a. in Bereichen, die bislang nicht oder kaum automatisiert sind. Ein klassisches Beispiel hierfür ist die Automobilindustrie: Im Rohbau sind 95 Prozent der Prozesse automatisiert, nur noch fünf Prozent erfolgen manuell. In der Endmontage ist es genau umgekehrt. Dort können Tätigkeiten, die sehr viel Kraft erfordern oder ergonomisch ungünstig sind, durch den Einsatz von Assistenzrobotern spürbar erleichtert werden. Dafür bedarf es einer neuen Generation von Robotern, die sicher mit dem Menschen zusammenarbeitet In der Motoren- und Getriebemontage sowie in der Endmontage sind sie bereits im Einsatz. Doch auch in vielen weiteren Branchen, Anwendungsumfeldern und ebenfalls in kleinen und mittelständischen Betrieben sind die Potenziale für MRK enorm. Roboter und Mensch können mit Hilfe von MRK-Lösungen ein ideales Team in der Produktion bilden. Der Mensch ist und bleibt dabei kognitiv überlegen, ist kreativ und arbeitet als Stratege – während der Roboter unter Wahrung höchster Sicherheitsstandards seine Wiederholgenauigkeit, seine Kraft und Ausdauer in die Zusammenarbeit einbringt.

DHZ: W elche Einsatzmöglichkeiten bieten die Cobots?

Hoene: Durch den Wegfall der Schutzzäune entstehen neue und vor allem flexiblere Applikations- und Anlagenlösungen. Wir sehen großes Potential für MRK-Arbeitsplätze überall dort, wo einfache Tätigkeiten bisher komplett oder größtenteils händisch ausgeführt wurden. Eine entsprechende Anlage kann maßgeblich die Qualität sowie die Produktivität steigern und erleichtert zudem die Arbeit für den Werker – ein entscheidender Faktor hinsichtlich des demographischen Wandels. Der Roboter kann hier in Zukunft bei monotonen Routinearbeiten assistieren oder nicht ergonomische Tätigkeiten wie das Überkopfarbeiten übernehmen, während der Mensch sich anspruchsvolleren Aufgaben widmen kann.

DHZ: Wie sicher sind Cobots?

Hoene: Der Mensch steht klar im Vordergrund, der Roboter soll dem Menschen helfen, auf keinen Fall darf er ihn gefährden. Damit müssen Roboter neue Anforderungen in puncto Sicherheit erfüllen. Es gibt hier sicher unterschiedliche Wege, mit solchen Anforderungen umzugehen. Bei Kuka unterscheiden wir hier nach Sicherheitsfunktionen, die den Menschen beim Umgang mit dem Roboter schützen und Funktionen, die den Roboter selbst sicher machen. Unterschieden werden vier Varianten:
  • Der Roboter hält an, wenn die Schutztür zum Roboter geöffnet wird. Hier braucht man nur einen sicheren Eingang (ggf. ein Sicherheitsrelais), der den Roboter beim Betreten stillsetzt.
  • Soll der Roboter mit der Hand geführt werden können, wird neben dem sicheren Eingang ein dreistufiger Zustimmtaster, sowie eine sichere Geschwindigkeits-überwachung benötigt. (Bei manchen Anwendungen auch eine sichere Orientierungs-überwachung).
  • Wenn man über einen sicheren Sensor den Aufenthaltsort des Menschen (eben sicher) bestimmen kann, ist es erlaubt, die Robotergeschwindigkeit abhängig vom Abstand des Menschen zum Roboter so herunterzufahren, dass der Roboter immer steht, wenn der Mensch ihn erreicht. Hierzu braucht der Roboter die Sicherheitsfunktionen "sichere Geschwindigkeitsüberwachung" und einen sicheren Eingang für den Nothalt-Taster. Alle bisherigen MRK-Robotersysteme beruhen auf der Kollisionsvermeidung.
  • Die Königsdisziplin und die eigentliche Mensch-Maschine-Kollaboration ist die Kollisionsbeherrschung ("Leistungs- und Kraftbegrenzung"). Hier kann der Roboter mit dem Menschen interagieren, der Mensch kann den Roboter berühren, führen und mit ihm gegebenenfalls sogar zusammenstoßen. Über Funktionen wie sichere Kollisionserkennung oder sichere Kraftüberwachung muss nun gewährleistet werden, dass im Kollisionsfall Kräfte und Drücken in allen Betriebssituationen unterhalb definierter ungefährlicher Grenzwerte bleiben
DHZ: Wie wird sich der Markt weiterentwickeln?

Hoene: Neben der Vollautomatisierung mit Industrierobotern wird es immer mehr Prozesse geben, bei denen eine flexible Lösung mit einem sensitiven Roboter die wirtschaftlich rentablere Option darstellt. Unsere Kunden sehen die vielen Einsatzmöglichkeiten für ihre Produktionen. Sie kommen mit Ideen auf uns zu, die wir dann weiterentwickeln und ausdifferenzieren. Bei dem "wie" verlassen sich unsere Kunden darauf, von uns die bestmögliche, für ihre Aufgabenstellung passende Lösung zu bekommen. Wir zeigen ihnen, was grundsätzlich möglich ist, wenn die Schutzzäune wegfallen. Abhängig von verschiedenen Einflussgrößen, wie Taktzeiten, Losgrößen, Mitarbeiterverfügbarkeiten und vor allem Prozessen, werden die automatisierten Produktionsstationen von morgen sinnvoll ausgestaltet sein. Dies kann von einer reinen manuellen Montagestation bis hin zu einer vollautomatisierten Ausschweißstation reichen. Dazwischen skaliert und gestaltet sich der Einsatz von MRK-Lösungen.

DHZ: Werden Cobots menschliche Arbeitsplätze ersetzen?

Hoene: Das Ziel bei dem Einsatz von Cobots ist die direkte Zusammenarbeit von Mensch und Roboter, bei der die Maschine dem Mitarbeiter eintönige oder physisch schwere Arbeiten abnimmt. Das ist bei Kuka mit dem sensitiven Leichtbauroboter LBR iiwa bereits jetzt der Fall. Roboter können nur bestimmte Tätigkeiten, aber keine Berufe ausüben. Eigenschaften wie menschliche Intelligenz, Kreativität und Emotionen werden Roboter in absehbarer Zeit nicht bieten. In den klassischen Robotermärkten wie Deutschland oder Japan konnten durch Automatisierung mehr professionelle Arbeitsplätze geschaffen werden.

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