10. ExpertDays 2018: Bericht zum Stand der Mensch-Roboter-Kollaboration

| Autor / Redakteur: Hermann Strass* / Johann Wiesböck

Automation in 3 Schritten: 1-Modulplatzierung, 2-Verkabelung, 3-Betrieb über Web-Browser
Automation in 3 Schritten: 1-Modulplatzierung, 2-Verkabelung, 3-Betrieb über Web-Browser (Bild: Robodev)

Mensch und Roboter war ein Leitthema der Denkfabrik der Servicerobotik, den 10. Expert Days 2018. Dieser Artikel gibt einen Überblick über Aspekte aus den wichtigsten Vorträgen und berichten über besonders interessante Robotik-Applikationen.

Schwerpunkte der 10. Expert Days 2018 waren die Zusammenarbeit Mensch-Roboter (MRK) ohne mechanische oder optische Trennzäune, alle Arten von Logistiksystem (Transport von Produkten) sowie Greifmechanismen für mechanische Hände. Die Geschicklichkeit und Flexibilität der menschlichen Hand bleibt aber weltweit noch für lange Zeit eine besondere Herausforderung.

Roboter in der Logistik

Christopher Parlitz von Robert Bosch Start-up berichtete über „Robotics for Intra-Logistics“. Bei modernen Systemen ist die kollisionsfreie Bewegung der Transport-Roboter ohne Markierungen am Boden, ohne Kenntnis der Umgebung, mit zuverlässiger Erkennung von Hindernissen in 3D, sowie die flexible Zusammenarbeit mit anderen autonomen Transport-Systemen, wie Gabelstaplern, besonders wichtig. Die elektronische Landkarte der Umgebung wird z. B. von der Software ZenoTrack automatisch erstellt und in Echtzeit überprüft.

Melonee Wise, CEO von Fetch Robotics, beschrieb schlüsselfertige Systeme für Logistik und Material-Handhabung in ihrem Vortrag „On-demand automation: Warehouse robots in one day“. Dabei werden traditionelle Förderbänder durch autonome Transportfahrzeuge mit Touch Displays ersetzt, die nach Beladung selbstständig zur Zielposition fahren. Teure, unflexible Förderbänder werden durch freibewegliche, programmierbare Transportelemente ersetzt.

Die Magazino GmbH hat sich auf Logistikroboter spezialisiert. Frederik Brantner berichte, dass die Roboter seines Unternehmens über den Einsatz von verbesserten 3D-Kameras und künstlicher Intelligenz ihr Umfeld in Echtzeit besser verstehen, die Waren selbstständig greifen und transportieren und daher effizienter mit ihren menschlichen Partnern zusammenarbeiten.

Mensch-Roboter-Kooperation

Über Exoskelette berichtete Yvonne Straube von BMW in ihrem Vortrag „Human-Robot-Collaboration at BMW – A success story and upcoming challenges“. Erstmals im BMW-Werk Spartanburg (USA) werden Werker mit Exoskeletten ausgerüstet, wenn sie schwere Teile „über Kopf“ positionieren müssen. Dadurch werden die Werker durch feinfühlig programmierte Kraftunterstützung erheblich entlastet.

Neben diesen virtuellen Assistenten wurde auch über den Einsatz von Robotern als handgeführte Werkzeuge berichtet, beispielsweise beim Vernieten. Exoskelette erfahren derzeit laut IFR ein starkes Wachstum. Sie unterstützen Arbeiter ergonomisch bei schwerer körperlicher Arbeit. So bleiben Arbeiternehmer länger gesund und arbeitsfähig bis zum Renteneintritt.

Die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter beschrieb Juan Salcedo von Neocis – Precision Healthcare Robotics in seinem Vortrag über „Collaborative robotics for haptic-guided surgery“ anhand des Einbaus eines Zahnimplantats. Das Robotersystem mit Roboter Greifarm, Greifer von Schunk und Echtzeit-Display war betriebsfähig ausgestellt. Die Software YOMI sorgt dafür, dass die Dentalinstrumente den Bewegungen des Patienten in Echtzeit folgen.

YOMI ist in den USA von der Food and Drug Association (FDA) als ein Computer-gestütztes Navigationssystem für Zahnimplantationen zugelassen. Wie die IFR feststellt, gehören Serviceroboter im Medizinbereich zu den teuersten Robotern überhaupt. Das größte Anwendungsgebiet der Medizinroboter sind derzeit chirurgische Systeme.

Weiche Pads als zweite Robotorhaut

Unter dem Titel „From safe industrial robots to safe applications everywhere“ berichtete Dr. Walter Wohlkinger von Blue Danube Robotics über den Einsatz des Kollisionssensors AIRSKIN. Das ist eine Plug & Play Sicherheitsverkleidung, mit der Greifer und Roboter sehr einfach MRK-fähig gemacht werden können. Das Unternehmen ist eine Ausgründung der TU Wien im Bereich Servicerobotik mit Schwerpunkt Sicherheitstechnologie für Industrierobotik. Das System ist nach ISO 13849 in Cat. 3, PLe sicherheitszertifiziert.

Die Denkfabrik der Servicerobotik und ihre Themen

Die Denkfabrik der Servicerobotik und ihre Themen

26.03.18 - Auf den 10. ExpertDays 2018 ging es unter dem Leitmotto „Smart Future with Cobots and Co-acts“ um die Schnittmengen zwischen Industrierobotern, Transportsystemen und smarten Assistenten für den gewerblichen und privaten Einsatz. Die wichtigsten Themen finden Sie in diesem Beitrag. lesen

Die weichen Pads der Sicherheitsverkleidung bedecken den Roboter wie eine zweite Haut. Im Falle einer Kollision zwischen Roboter und Mitarbeiter oder einem Gegenstand reagiert der Kollisionssensor innerhalb von maximal 9 ms und löst augenblicklich einen Nothalt aus. Zusätzlich dämpfen die weichen Pads Krafteinwirkungen, die bis zum endgültigen Stillstand der Maschine auftreten könnten. Diese Eigenschaften erlauben den Einsatz in ISO/TS 15066-konformen Anwendungen.

Brian Carlisle, Gründer von Precise Automation berichtete über „Design, testing and applications of collaborative robots“ die nur eine Strom- und eine Ethernet-Steckdose zum Betrieb benötigen. Es sind einfache, leichte Serviceroboter als SCARA-, kartesiche oder 6-Achsen-Modelle. Die ISO-Richtlinien für die Sicherheit bei kollaborativen Anwendungen werden eingehalten. Die Roboterbewegungen werden nur dann verlangsamt, wenn sich Personen oder feste Gegenstände in Armreichweite befinden. So arbeitet der Roboter sehr schnell und trotzdem sicher.

Roboterforschung und Entwicklung

Prof. Dr. Sami Haddadin, renommierter Roboterforscher am IRT der Uni Hannover, seit 1.4.2018 an der TU München (Roboterwissenschaften und Systemintelligenz), sprach über „Learning and control in robotics“. Dabei geht es um lernfähige Roboter, die von jedermann programmiert werden können, wie beispielsweise Roboter als Lebenshilfe für behinderte Menschen, Roboterassistenten für die Industrie, Medizinroboter für minimalinvasive Chirurgie oder Programme für sichere Mensch-Maschine-Interaktion.

Prof. Dr. Kröger vom Karsruhe Institute of Technology (KIT) berichtete über Trends, insbesondere im Silicon Valley. Dazu gehören datenspezifische Methoden, maschinelles Lernen, visuelle Wahrnehmung und Spracherkennung. Besondere Schwierigkeiten gibt es bei den Greifmechanismen.

Dr. Bernd Liepert, Chief Innovation Officer bei KUKA beschrieb die „Future of Robotics: Challenges in robotics, automation and A.I. in the age of digitalization“. Er berichtete zunächst über frühere Ansichten zu Fortschrittsthemen z.B. mit dem Zitat von Dr. Dionysius Lardner Irland 1830 „Rail travel at high speed is not possible because passengers unable to breathe, would die of asphyxia (Sauerstoffmangel, Anm. d. Red).“ und dem Bild eines modernen ICE und mit weiteren historischen Fehleinschätzungen.

Dr. Liepert erläuterte dann Innovationsarten und Innovationssteuerung sowie aktuelle Megatrends. Besonders wichtig sind die ethischen, juristischen, sozialen und politischen Regeln sowie sie Sicherheitsaspekte, die zu berücksichtigen sind. Daraus ergeben sich Leitlinien und rechtliche Bestimmungen für den Robotereinsatz (Robotic Governance).

Bei Servicerobotern ist autonomes Lernen der Greif- und Handhabungssysteme, also die richtigen Gegenstände selbstständig mit angepasstem Druck greifen und exakt zu positionieren die wichtigste Fähigkeit. Die Funktion einer Roboterhand war daher Thema von Dr. Minas Liarokapis von der University of Auckland, Neuseeland unter dem Titel „Simplifying Grasping & Dexterous, In-Hand Manipulation with Adaptive Robot Hands“. Roboterhände haben üblicherweise einen Aktor für jedes Gelenk (Freiheitsgrad). Dabei müssen Gewicht, Steifheit, Form und weitere Parameter berücksichtigt werden.

Seine Fragestellung lautet: „Can we design and control robot hands to be as dexterous as human hands?“ Eine möglichst exakte Kopie der menschlichen Hand ist teuer und macht die Hand sehr schwer. Daher forscht Dr. Liarokapis an vereinfachten Strukturen, mit denen ein Optimum an Flexibilität erreicht werden kann.

Intelligente Teil-Automation zu niedrigen Kosten

Sinnvolle Verbesserungen in der Produktion, beschrieb Dr. Andreas Bihlmaier von der Robodev GmbH in seinem Vortrag „Filling the Gaps – Hands-on automation as an extension of lean production“ als einen wichtigen Schritt um die Lücken, in denen Zeit vergeudet wird, zu schließen. Das sollten die Werker an ihrem Arbeitsplatz mit Hilfe von einfachen, modularen Bausteinen tun können.

Intelligente Teil-Automation zu niedrigen Kosten ist besser als teure, schnelle Voll-Automation zu höchsten Kosten. Dazu bietet Robodev die mechanische Platzierung von einfachen Modulen durch die Verdrahtung mit Hybridkabeln sowie die automatische Initialisierung und Konfiguration über eine Web-Schnittstelle. So können innerhalb weniger Stunden unterschiedliche Roboterkonfigurationen in Betrieb genommen werden.

Aus dem Beijing Advanced Innovation Center of Intelligent Robots and Systems am Beijing Institute of Technology in China berichtete Prof. Jiping He über „Providing Sensory Feedback Using Electrical Stimulation for Neural Prothesis“. Er ist auch Professor of Biomedical Engineering an der Arizona State University in den USA. Er untersucht die Interaktion zwischen Mensch und Roboter über die direkte Kopplung von Gehirn und Robotersoftware (Neural Interface Technology).

Der Manager der Danish Industrial Robot Associations (DIRA) und Technology Manager am Danish Technological Institute (DTI), Søeren Peter Johansen, sieht eine große Zukunft für Cobots, wie er in seinem Vortrag „The demand and concerns for collaborative solutions in the manufacturing industry“ erläuterte. Totale Automation ist zu teuer. Eine vorteilhafte Vorgehensweise nach der 80/20-Regel ist es 80 Prozent der Arbeitsschritte zu 20 Prozent der Kosten zu automatisieren.

Eine weitere 80/20-Regel besagt, dass die 100-Prozent-Automation zu teuer, zu inflexibel und oft bei dem derzeitigen Stand der Technik nicht machbar ist. Die Arbeit und der Arbeitsplatz sollten effektiv zwischen Mensch und Roboter aufgeteilt werden. Die menschliche Geschicklichkeit in Verbindung mit kollaborativen Robotern ist die optimale Lösung.

Was ist ein Serviceroboter?

ISO 8373 definiert einen Serviceroboter als Roboter, der für Menschen oder Maschinen hilfreiche Aufgaben übernimmt und keine industrielle Automationsanwendung darstellt. Laut ISO 8373 muss ein Serviceroboter einen Autonomiegrad bzw. die Fähigkeit besitzen, die vorgesehenen Aufgaben nach dem aktuellen Stand der Technik mittels Sensorik, ohne menschliche Eingriffe, auszuführen. Die Zunahme an Servicerobotern ist auf die Entstehung des kollaborativen Roboters, auch „Koboter“ genannt, zurückzuführen, dessen Entwicklung wiederum durch Innovationen in Sensorik und mit künstlicher Intelligenz (KI) ermöglicht wurde.

Im Bereich Deep Learning sind in jüngerer Zeit große Fortschritte gemacht worden. Bei diesem KI-Zweig werden künstliche neuronale Netze aufgebaut, die das Sortieren und Verarbeiten von Informationen in organischen (lebenden) Gehirnen nachahmen. Deep Learning gilt als Innovationstreiber an der Spitze der KI-Technologie. Das wird bereits in zahlreichen Anwendungen, wie Sprach- und Bilderkennung, angewendet.

In einer begleitenden Ausstellung haben neben Firmen, die Vorträge gehalten haben, auch andere Firmen Produkte und Systeme ausgestellt, die zu den Hauptthemen der Konferenz passen. Dazu gehören Comau, Hahn Robotics, IBG, IBM, ITK, PAL Robotics und Universal Robotics.

Die Roboter von PAL Robotics aus Barcelona in Spanien werden beispielsweise im Gesundheitswesen eingesetzt. Das Unternehmen betreibt auch seit vielen Monaten ein Pilotprojekt im Einzelhandel. Dabei bewegt sich ein Roboter selbstständig durch die Gänge voller Kunden, um täglich eine vollständige 3D-Bestandsaufnahme zu erstellen. Das machen gegenwärtig nur wenige Einzelhändler, aber die Daten sind von unschätzbarem Wert, um optimale Entscheidungen treffen zu können“.

Konventionelle Produktionsroboter sind eher unflexibel. Jedes Programm muss einzeln erstellt, simuliert und umfangreich getestet werden, bevor der Roboter an die Arbeit geht. In der Fertigung muss jedoch der Roboter sehr viel flexibler sein, damit er innerhalb kurzer Zeit neue Aufgaben übernehmen kann. Er muss ohne Sicherheitskäfig mobil sein. Dazu benötigt er mehr Verarbeitungsleistung, um ohne versehentliche Zusammenstöße mit Gegenständen oder Personen navigieren zu können.

Der Roboter muss die Sensordaten in Echtzeit verarbeiten und Entscheidungen treffen. Außerhalb der kontrollierten Umgebung des Produktionsbereichs müssen Wartungsroboter und Lieferdrohnen intelligent auf komplexe Situationen reagieren können. Die Automatisierung durch Roboter macht Unternehmen unabhängig von Ländern mit niedrigen Löhnen.

„Die emotionalen Bedürfnisse von Menschen müssen immer respektiert werden“, sagte Mihalis Kritikos, politischer Analyst beim Europäischen Parlament und forderte: „Sie möchten verantwortungsvolle Roboter? Fangen Sie mit verantwortungsvollen Menschen an!“

Marktbedeutung Robotik

Nach neueren Untersuchungen des VDMA über die Robotik und Automation in Deutschland hat diese Branche 2017 das Rekord-Umsatzvolumen von 14,5 Milliarden Euro erreicht. Das ist ein Plus von 13 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Für 2018 rechnet VDMA Robotik + Automation unter Berücksichtigung der unsicheren Weltlage mit einem Branchenwachstum von 9 Prozent auf 15,8 Milliarden Euro. Die Exportquote stieg von 57 Prozent (2016) auf 60 Prozent (2017).

Zwischen 2010 und 2017 wuchs die Branche im Durchschnitt um 10 Prozent jährlich und verdoppelte in diesem Zeitraum nahezu ihren Umsatz. Hauptwachstumstreiber im Jahr 2017 war der Export nach Asien. Der Exportumsatz nach China wuchs um rund 60 Prozent gegenüber 2016.

Vorschau auf 2019: In Dänemark gibt eine sehr fortschrittliche Roboterwelt. Daher werden die Expert Days am 27. und 28. Februar 2019 in Odense (Dänemark) stattfinden. Dort und in der Umgebung sind etwa 120 Roboterhersteller, Roboterzulieferer, Roboterdienstleister und einschlägige Softwarefirmen aktiv. In Deutschland bleibt es bei dem Veranstaltungstermin Ende Februar in Heilbronn – jeweils in den geradzahligen Jahren.

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* Hermann Strass ist selbstständiger Technologieberater und Autor zahlreicher technischer Fachartikel und Abhandlungen.

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