Moderne Automatisierungsprozesse verlangen flexible Lösungen, die sich sowohl schnell und einfach einrichten, als auch unkompliziert an neue Gegebenheiten anpassen lassen. In einem solchen Umfeld können kompakte Serviceroboter ihre Vorzüge ausspielen, denn sie eröffnen neue Möglichkeiten für effiziente Abläufe. Davon ist Pilz überzeugt.

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Serviceroboter nehmen in industriellen, aber auch in nicht industriellen Anwendungen dem Menschen eintönige oder körperlich belastende Aufgaben ab. So finden heute kompakte, wandlungsfähige Roboter ihren Weg auch in kleine und mittelständische Unternehmen. Manipulatoren führen unter anderem Pick-and-place-Applikationen oder Handling-Abläufe zwischen verschiedenen Produktionsschritten aus.

Gegenüber dem klassischen Montage- oder Schweißroboter sind Serviceroboter flexibler und einfacher an neue Aufgaben und Gegebenheiten anpassbar, so der Automatisierungsexperte weiter. Für besonders hohe Flexibilität seien offene Robotersysteme gefragt, die eine Kombination von Komponenten verschiedenster Hersteller erlauben. So gibt es beispielsweise ein breites Spektrum an sogenannten Effektoren, mit denen ein Manipulator individuell und je nach Anwendung ausgestattet werden kann. Der Trend gehe hier zu Systemen, die für den einfachen Plug-and-produce-Betrieb geeignet sind.

Modular, offen, sicher

Zusätzliche Flexibilität für die Servicerobotik bieten offene Robotersteuerungen, die sich herstellerübergreifend einsetzen lassen. Ein Roboterbetriebssystem auf Open-Source-Basis, wie ROS (Robot Operating System), bietet eine solche offene Alternative zu proprietären Robotersteuerungen. ROS-Pakete enthalten bestimmte Funktionalitäten und Treiber, beispielsweise eine industrielle Bahnplanung. Sie werden den Anwendern kostenlos über eine Community zur Verfügung gestellt.

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Ein Vorteil des Open-Source-Frameworks ist die gemeinsame Zusammenarbeit in der ROS-Community sowie der Austausch mit Experten aus verschiedenen Bereichen – von Forschungseinrichtungen bis zum Roboterhersteller, wie das Unternehmen aus Ostfildern erläutert. Gemeinsam seien die Anwender in der Lage, selbst komplexe Robotikanwendungen erfolgreich umzusetzen.

Ein weiterer Vorteil von ROS liege in der Möglichkeit, Planungen, Programmierungen und Simulationen von Roboterapplikationen einfach umzusetzen. So können Prozesse und Fertigungsabläufe simuliert werden und Anwendungen virtuell in Betrieb genommen werden, bevor sie in die Realität umgesetzt werden. Das erlaubt ein frühzeitiges Erkennen und Beheben von Fehlern. Die reale Inbetriebnahme kann dadurch besonders kosteneffizient erfolgen, betont der Automatisierungsexperte.

Ein modulares System wie die Service-Robotik-Module von Pilz folge ebenfalls einem offenen Ansatz und biete dem Anwender durch passende Schnittstellen ein hohes Maß an Flexibilität. Der modular aufgebaute Baukasten besteht aus einem Manipulator-, einem Bedienmodul sowie Steuerungsmodulen, wobei der Anwender zwischen dem Steuerungsmodul PRCM oder ROS-Paketen wählen kann. Sicherheit ist dabei ein wesentlicher Bestandteil des Systems: Manipulatormodul PRBT, Steuerungsmodul PRCM und Bedienmodul PRTM bilden zusammen ein von der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) zertifiziertes Paket nach EN ISO 10218–1 ›Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen‹. Damit bringen die Module die Voraussetzungen für die Umsetzung sicherer Roboterapplikationen mit und erleichtern den Weg zur obligatorischen CE-Kennzeichnung der gesamten Roboterapplikation.

Kernstück des Servicerobotik-Baukastens ist das Manipulatormodul mit einer Traglast von sechs Kilogramm, das in beliebiger Montagerichtung angebracht werden kann. Mit einer Reichweite von 741 Millimetern, einem Eigengewicht von 19 Kilogramm und seiner 24-VDC-Betriebsspannung eignet es sich für eine Vielzahl an Applikationen. Anwender können mit dem Baukasten sowohl im industriellen als auch im Umfeld der klassischen Servicerobotik ihre individuelle Servicerobotik-Applikation zusammenstellen. Grundsätzlich kann der Anwender sämtliche Pilz-Module über die jeweiligen mechanischen und elektrischen Schnittstellen mit Komponenten anderer Anbieter kombinieren.

Serviceroboter werden mobil

Darüber hinaus können die ROS-Pakete von Pilz zum Schreiben von eigenen Robotikanwendungen eingesetzt werden. Der Hersteller entwickelt und testet seine Pakete selbst nach den industriellen Qualitätskriterien und Anforderungen des ROS Industrial Consortiums und bietet eigenen Angaben zufolge somit hochwertigen Code für anspruchsvolle industrielle Aufgaben. Bei der Programmierung werden gängige Programmiersprachen wie Python oder C++ verwendet. Die einzelnen Pakete sind modular aufgebaut. Damit sind sie vielseitig einsetzbar und mit der Hardware unterschiedlicher Hersteller kompatibel, so die Ostfilderner. Gerade in dynamischen Umgebungen spiele ROS seine Vorteile aus, so beispielsweise beim Navigieren von Fahrerlosen Transportsystemen (FTS), der Kollisionsvermeidung oder dem Greifen unterschiedlicher, sich ändernder Objekte.

Mit den passenden Komponenten sind beispielsweise mobile Servicerobotik-Anwendungen umsetzbar. So kann ein Serviceroboter kombiniert mit einem Fahrerlosen Transportsystem in industriellen und nicht industriellen Anwendungen die Materialversorgung übernehmen – sei es im Fertigungsprozess oder etwa im Lager einer Apotheke. In solchen intralogistischen Prozessen stellen FTS den Materialfluss in der Fertigung sicher oder sind zentraler Bestandteil einer Produktion.

Für die Fertigung von Losgröße 1 sind jedoch neue Konzepte gefragt, die nicht nur einen effizienten Datenaustausch innerhalb der vernetzten Fertigung bieten, hebt Pilz hervor. Gerade im Bereich der Intralogistik entstehen neue Prozesse – fluide Abläufe bieten mehr Flexibilität und lösen starre Produktionslinien ab. Das Manipulatormodul ist mit seiner 24-VDC-Betriebsspannung für solche mobilen Anwendungen geeignet.

Dynamisch navigieren

Der Materialtransport birgt weiteres Potenzial, wenn er wertschöpfend gestaltet wird, sind sich die Ostfilderner sicher: Ist die mobile Basis mit einem Manipulator wie PRBT ausgestattet, kann der mobile Serviceroboter an der angesteuerten Position nicht nur ein Objekt laden oder abliefern. Erfordert es die Applikation, kann der mobile Manipulator einen notwendigen Arbeitsschritt am Werkstück ausführen oder zum Beispiel ein Paket labeln. Ein mit Serviceroboter bestücktes FTS ist – ausgerüstet mit Sensorik, Kamerasystemen und weiterem – in der Lage, während der Fahrt von Station zu Station ein definiertes Set an Mess-, Prüf- und Sortieraufgaben auszuführen.

Ein weiterer Anwendungsfall für mobile Servicerobotik können spezielle Plattformen sein, die unterschiedlich ausgestattete Serviceroboter-Units transportieren und an ihrem Einsatzort absetzen. Diese werden nach getaner Arbeit wieder abgeholt und an einen neuen Bestimmungsort gefahren. Mobile Transport- und Servicerobotik-Lösungen verschmelzen so zunehmend. Eine Herausforderung mobiler Lösungen liegt allerdings in der Navigation. Bewegt sich ein Fahrerloses Transportsystem durch eine Umgebung, in der sich das Umfeld ständig ändert, muss die Route dynamisch angepasst werden. Dafür kann beispielsweise ein Sicherheits-Laserscanner wie PSENscan von Pilz mit einem FTS kombiniert werden: Über eine Datenschnittstelle stellt er Entfernungsdaten zur Verfügung. Mithilfe des neuen ROS-Moduls für PSENscan können diese Daten ROS-konform ohne weiteren Programmieraufwand bereitgestellt werden und beispielsweise einen SLAM-Algorithmus (Simultaneous Localisation and Mapping) speisen. So werden Umgebungskarten für die dynamische Navigation erstellt und das FTS weicht Hindernissen flexibel aus.

»Die mobile Anwendung sollte im Vorfeld gründlich durchdacht und mögliche Sicherheitsrisiken analysiert werden«, rät Dr. Manuel Schön, Product Manager Controller bei Pilz. Eine weitere Herausforderung sei auch die Akzeptanz einer solchen mobilen Anwendung im Unternehmen. »Deshalb ist es wichtig, die Mitarbeiter, die mit dem mobilen Assistenten arbeiten werden, früh einzubinden und zu informieren.«

Um dem Menschen die notwendige Sicherheit für den Umgang mit solchen flexiblen Helfern zu geben, ist es wichtig, solche Anwendungen – ob mobil oder statisch – ganzheitlich zu betrachten und durch den Einsatz der passenden Sensorik abzusichern, betonen die Ostfilderner. Als Anbieter sicherer Automatisierungslösungen gestaltet Pilz die Robotik schon seit Jahren mit und wirkt in internationalen Gremien an Normen und Standards mit, wie der ISO/TS 15066 für die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK).

»Der Sensorik kommt bei der Umsetzung von sicheren Roboterapplikationen eine zentrale Rolle zu. Das reicht vom einfachen Sicherheitsschalter zur Überwachung von Positionen über Schutztürsysteme für trennende Schutzeinrichtungen bis hin zu Sensor-Technologien für die Flächen- und Raumüberwachung«, sagt Schön. »Hier kommen dann sowohl optische Sensoren wie Lichtschranken, Scanner oder neuerdings auch sichere Radarsysteme zum Einsatz.«

Sensoren des Automatisierers sorgen an zahllosen Roboterapplikationen – ob mit oder ohne Schutzzaun – für den Schutz des Bedieners und des Roboters. Aufbauend auf jahrelanger Erfahrung beim Thema CE-Kennzeichnung in der Industrie können die Safety-Experten Robotik-Anwender bis zur CE-Kennzeichnung begleiten und die Verantwortung für die Sicherheit von Roboterapplikationen übernehmen. Mit den richtigen Komponenten, die durch passende Softwaremodule und ein ganzheitliches Sicherheitskonzept ergänzt werden, ergeben sich also vielfältige Einsatzmöglichkeiten für die flexiblen Serviceroboter. So können sie in vielen industriellen und nicht industriellen Umgebungen den Menschen bei seiner Arbeit assistieren.

Interview

»Schrittweise steigern«

Dr. Manuel Schön, Product Manager Controller bei Pilz, schlägt für den Einstieg in die mobile Robotik vor, mit einer einfachen Anwendung zu beginnen. Er spricht außerdem über Cobot-Sicherheit und die Pilz-Service-Robotik-Module.

Herr Dr. Schön, welche Rolle können Servicerobotik und MRK in der Produktion spielen? Was sind Ihre Stärken?

Serviceroboter, egal ob MRK-fähig oder nicht, können ganz unterschiedliche Rollen übernehmen, um den Menschen zu entlasten. Dabei können sie flexibel in der Produktion eingesetzt werden: Ändert sich etwa die Umgebung, muss nicht die gesamte Roboterzelle umgebaut werden. Stattdessen wird beispielsweise die Programmierung der Applikation angepasst. MRK macht besonders Sinn, wenn ich Arbeitsplätze mit Blick auf die Ergonomie verbessern will. Seien es große Traglasten, die sonst der Mensch heben müsste, schlecht erreichbare Arbeitspositionen oder monotone Arbeiten. Überall dort ist der Roboter eine gute Hilfe und somit ein gefragter Kollege.

Das ist häufig das Hauptkriterium, MRK einzusetzen. Daher werden MRK-Roboter in bestehende Linien integriert, um den Menschen zu entlasten. Eine andere Art der Unterstützung können Serviceroboter beispielsweise in intralogistischen Prozessen bieten, wenn sie den Mensch mit Material für seine Aufgabe versorgen oder ihm Werkzeug für einen Arbeitsprozess an einer Maschine reichen. Solche mobilen Anwendungen können zu effizienten Abläufen beitragen, indem sie beispielsweise Material just in time zur Verfügung stellen.

Worauf sollte man bei der Umsetzung solcher Projekte achten?

Wenn ein Unternehmen noch nicht viel Erfahrung mit mobilen Anwendungen hat, ist es sinnvoll, mit einer einfachen Anwendung zu beginnen. Sobald diese erste Anwendung funktioniert, kann die dabei gewonnene Erfahrung genutzt und der Komplexitätsgrad schrittweise gesteigert werden.

Pilz ist auch eingebunden in die Standardisierung von MRK-Sicherheitskonzepten. Was sind die häufigsten Stolperfallen, auf die ein Anwender achten muss, wenn er Serviceroboter in seine Produktion einbinden möchte?

Ein Sicherheitskonzept trägt Sorge dafür, dass sich ein Mensch nicht durch die Kollision mit einem Roboter verletzt. Besonders wichtig ist es deshalb, dass Roboter, Werkzeug und Werkstück keine scharfen Kanten haben, sie also ›kollisionsfreundlich‹ gestaltet sind. Das ist eine der größten Stolperfallen bei der Gestaltung einer sicheren MRK-Anwendung.

»Je schneller eine Applikation sein muss und je gefährlicher, desto herausfordernder wird es.«

Eine große Rolle spielen auch Sicherheitsabstände, die so definiert werden müssen, dass ein rechtzeitiger Halt des Roboters im Ernstfall gewährleistet ist. Sobald ein Sicherheitsabstand sehr gering gewählt ist, bedeutet das eine reduzierte Geschwindigkeit für die Bewegung des Roboters. Je schneller eine Applikation sein muss und je gefährlicher, sprich spitzer oder scharfkantiger, die Konturen von Werkstück oder Werkzeug sind, desto herausfordernder wird es, kollaborativ zu arbeiten. Die dritte Stolperfalle sind die sich überschneidenden Arbeitsbereiche von Mensch und Roboter: Um den Menschen in seiner Tätigkeit nicht einzuschränken, müssen diese Arbeitsbereiche genau betrachtet werden.

Sie haben Ihre Service-Robotik-Module auf der Automatica 2018 vorgestellt. Wie hat sich die Nachfrage entwickelt?

Tatsächlich haben wir die größte Nachfrage im Bereich der Intralogistik. Ein interessanter Bereich, für den sich unser modulares System bestens eignet, nicht zuletzt aufgrund der 24-V-Betriebsspannung des Manipulatormoduls.

Was planen Sie in diesem Bereich für Neu- und Weiterentwicklungen?

Erst vor Kurzem wurde für unser Manipulatormodul PRBT die Eignung für den Einsatz in Reinräumen bis zur ISO-Klasse 3 bestätigt. Somit werden für PRBT neue Anwendungsfelder möglich. Natürlich arbeiten wir kontinuierlich an der Verbesserung jeder einzelnen Komponente des Systems, sei es die Firmware der Antriebsregler oder das Bedienkonzept, um die Programmierung zu erleichtern.

Wie hat sich der Umfang der ROS-Pakete seit 2018 erweitert, und was planen Sie hier an neuen Paketen?

Aktuell arbeiten wir an einem Konzept, das es dem Entwickler einer ROS-Applikation ermöglicht, ein Robotersystem, das der ISO 10218–1 entspricht, zu integrieren. Das beinhaltet also das Sicherheitskonzept des Manipulators. Der Entwickler kann sich auf das Programmieren der eigentlichen Applikation fokussieren. Für das Sicherheitskonzept der Gesamtapplikation unterstützen unsere Experten aus dem Customer Support natürlich gern mit ihrer langjährigen Erfahrung.