Was ist ein Cobot?
Der Begriff Cobot leitet sich vom englischen Ausdruck collaborative robot ab und bezeichnet Robotersysteme, die dafür entwickelt wurden, Aufgaben in gemeinsamen Arbeitsumgebungen mit Menschen auszuführen.
Traditionelle Industrieroboter werden typischerweise in Fertigungsaufgaben eingesetzt, bei denen hohe Geschwindigkeit, hohe Traglast und Wiederholgenauigkeit erforderlich sind. In vielen Anwendungen arbeiten diese Roboter innerhalb von Schutzumhausungen, durch Lichtvorhänge abgesicherten Bereichen oder physisch getrennten Roboterzellen.
Der wesentliche Unterschied bei Cobots besteht darin, dass sie bei geeigneter Systemauslegung und unter Anwendung entsprechender Maßnahmen zur Risikominderung in engerer Interaktion mit menschlichen Bedienern eingesetzt werden können.
Das bedeutet jedoch nicht, dass Cobots grundsätzlich risikofrei sind. Die Sicherheit eines kollaborativen Robotersystems hängt nicht nur vom Roboterarm selbst ab, sondern auch vom Endeffektor, vom gehandhabten Werkstück, von den auftretenden Kräften, von den umliegenden Maschinen und Anlagen, von der Robotergeschwindigkeit sowie von der Risikobeurteilung der jeweiligen Aufgabe.
Der Begriff Cobot beschreibt daher nicht nur einen bestimmten Robotertyp, sondern einen umfassenderen Anwendungsansatz, der auf die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter ausgelegt ist.
Was ist der Unterschied zwischen einem Cobot und einem Industrieroboter?
Cobots und traditionelle Industrieroboter können aus ähnlichen mechanischen und elektronischen Komponenten aufgebaut sein. Beide Systeme können Servomotoren, Encoder, Steuerungseinheiten, mechanische Gelenke und softwarebasierte Bewegungssteuerungen enthalten.
Der wesentliche Unterschied liegt in den jeweiligen Konstruktionsprioritäten und Einsatzformen.
Traditionelle Industrieroboter sind in der Regel auf möglichst hohe Taktgeschwindigkeit, Traglast und Produktionseffizienz ausgelegt. Bei Cobots steht dagegen stärker im Vordergrund, einen Arbeitsbereich unter geeigneten Sicherheitsbedingungen mit Menschen teilen zu können.
Daher wird bei Cobots häufig besonderer Wert auf Funktionen gelegt wie:
- Kraft- und Drehmomentbegrenzung
- Geschwindigkeits- und Bewegungsbegrenzung
- Kollisionserkennung
- Sichere Stoppfunktionen
- Abgerundete mechanische Konstruktionen
- Einfachere Programmier- und Einlernmethoden
Moderne Industrieroboter können jedoch ebenfalls in kollaborativen Szenarien eingesetzt werden, wenn sie mit geeigneten Sicherheitssystemen kombiniert werden. Die Abgrenzung zwischen einem Cobot und einem klassischen Industrieroboter lässt sich daher nicht allein anhand der äußeren Erscheinung des Roboters bestimmen.
Wie arbeiten Cobots sicher mit Menschen zusammen?
Damit die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter sicher durchgeführt werden kann, muss der Roboter seine Umgebung und seine eigenen Bewegungen kontinuierlich überwachen.
Moderne Cobot-Systeme nutzen dafür interne Sensoren, Sicherheitssteuerungen und in bestimmten Anwendungen auch externe Erfassungssysteme.
Wenn der Roboter vorgegebene Sicherheitsgrenzen überschreitet, kann er seine Bewegung verlangsamen, anhalten oder die ausgeübte Kraft begrenzen.
Welches Sicherheitskonzept verwendet wird, hängt von der jeweiligen kollaborativen Anwendung ab.
Sicherheitsbewerteter überwachter Halt
Bei einigen Anwendungen wird der Roboter kontrolliert angehalten, sobald ein menschlicher Bediener den Arbeitsbereich des Roboters betritt.
Der Roboter kann den Betrieb wieder aufnehmen, wenn der Bediener den geschützten Bereich verlassen hat oder die erforderlichen Sicherheitsbedingungen erneut erfüllt sind.
Dieses Verfahren eignet sich für Produktionsprozesse, bei denen Menschen in bestimmten Arbeitsschritten Zugang zum Roboterarbeitsbereich benötigen.
Handführung
Bei einigen Cobot-Systemen kann der Bediener den Roboterarm physisch führen, um neue Wegpunkte oder Bewegungsbahnen einzulernen.
Kraft- und Drehmomenterfassungssysteme in den Robotergelenken erkennen die vom Bediener ausgeübten Kräfte und ermöglichen eine kontrollierte Bewegung des Roboterarms.
Diese Methode kann das Einlernen einfacher Bewegungen erleichtern, ohne dass dafür fortgeschrittene Programmierkenntnisse erforderlich sind.
Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung
Der Abstand zwischen Roboter und Mensch kann mithilfe von Sensoren überwacht werden.
Nähert sich ein Bediener dem Arbeitsbereich des Roboters, kann dessen Geschwindigkeit reduziert werden. Wird ein kritischer Abstand erreicht, kann der Roboter vollständig anhalten.
In solchen Anwendungen können Sicherheits-Laserscanner, kamerabasierte Systeme oder andere Technologien zur Umgebungserfassung eingesetzt werden.
Leistungs- und Kraftbegrenzung
Eine wichtige Eigenschaft vieler Cobots ist die Möglichkeit, die bei physischem Kontakt auftretenden Kräfte und Energien zu begrenzen.
Erkennt die Steuerung eine unerwartete Veränderung des Gelenkdrehmoments oder der Roboterbewegung, kann sie eine mögliche Kollision feststellen und den Roboter stoppen.
Diese Funktion bedeutet jedoch nicht, dass der Roboter unter allen Bedingungen automatisch sicher ist. Insbesondere beim Umgang mit scharfen, heißen, schweren oder mit hoher kinetischer Energie bewegten Objekten können zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich sein.
Wie funktioniert die Kraft- und Drehmomenterfassung bei Cobots?
Die Erfassung von Kräften und Drehmomenten spielt eine wichtige Rolle dafür, dass Cobots in unmittelbarer Nähe zu Menschen arbeiten können.
Einige Cobots verwenden Drehmomentsensoren in den Gelenken, um Abweichungen zwischen dem von den Motoren erzeugten Drehmoment und dem erwarteten mechanischen Verhalten des Roboters zu erfassen.
Bei anderen Systemen können äußere Kräfte auf die Robotergelenke geschätzt werden, indem Motorstrom, Positionsdaten und das dynamische Modell des Roboters gemeinsam ausgewertet werden.
In bestimmten Anwendungen können zusätzlich sechsachsige Kraft-Drehmoment-Sensoren am Handgelenk des Roboters angebracht werden.
Diese Sensoren können Kräfte entlang der X-, Y- und Z-Achse sowie Momente um die drei Rotationsachsen messen.
Kraftrückführung kann nicht nur für Sicherheitsfunktionen genutzt werden, sondern auch für anspruchsvollere Aufgaben wie Präzisionsmontage, Oberflächenbearbeitung und andere Anwendungen, bei denen ein kontrollierter Kontakt erforderlich ist.
Wie wird ein Cobot programmiert?
Ein Grund für die zunehmende Verbreitung von Cobots ist, dass ihre Programmierung im Vergleich zu vielen klassischen Robotersystemen leichter zugänglich geworden ist.
Viele Cobot-Plattformen verfügen über grafische Benutzeroberflächen. Bediener können Wegpunkte, Geschwindigkeiten, Ein- und Ausgangssignale sowie Abläufe mithilfe visueller Programmierwerkzeuge definieren.
Bei manchen Systemen können Zielpositionen eingelernt werden, indem der Roboterarm direkt von Hand bewegt wird.
Diese Methode wird häufig als Handführung oder Lead-through Programming bezeichnet.
Für komplexere Anwendungen können Cobots jedoch weiterhin mit Robotersprachen, industriellen Kommunikationsprotokollen, SPS-Systemen oder externen Softwareplattformen integriert werden.
Die einfachere Programmierbarkeit von Cobots bedeutet daher nicht, dass sie in fortgeschrittenen Automatisierungssystemen nur für einfache Aufgaben eingesetzt werden können.
Welche Sensoren werden in Cobot-Systemen eingesetzt?
Verschiedene Sensortechnologien können miteinander kombiniert werden, damit Cobots sicher und präzise arbeiten können.
Encoder
Encoder werden verwendet, um die Winkelposition und Bewegung der Robotergelenke zu erfassen.
Diese Informationen gehören zu den grundlegenden Datenquellen für kinematische Berechnungen und die geschlossene Bewegungsregelung des Roboters.
Kraft- und Drehmomentsensoren
Kraft- und Drehmomentsensoren können verwendet werden, um die physische Interaktion des Roboters mit seiner Umgebung zu erfassen.
Sie sind insbesondere bei Anwendungen wie Montage, präziser Positionierung und anderen Aufgaben wichtig, bei denen kontrollierter physischer Kontakt erforderlich ist.
Kameras und Bildverarbeitungssysteme
Cobots können mit Kamerasystemen ausgestattet werden, um Position, Orientierung oder physische Eigenschaften von Bauteilen zu erkennen.
Mithilfe industrieller Bildverarbeitung kann der Roboter Bauteile erkennen, die nicht vollständig in fest definierten Positionen liegen, oder visuelle Qualitätskontrollen innerhalb des Produktionsprozesses durchführen.
Sicherheitssensoren
Sicherheits-Laserscanner, Lichtvorhänge und andere Näherungssensoren können eingesetzt werden, um zu erkennen, wenn Personen den Arbeitsbereich des Roboters betreten.
Die von diesen Sensoren gelieferten Daten können dazu verwendet werden, die Robotergeschwindigkeit zu reduzieren oder den Roboter vollständig anzuhalten.
Warum sind Endeffektoren bei Cobots wichtig?
Welche Aufgaben ein Cobot ausführen kann, hängt wesentlich vom Endeffektor am Ende des Roboterarms ab.
Der Endeffektor ist die Komponente, über die der Roboter physisch mit dem Werkstück interagiert.
Ein häufiges Beispiel ist ein Robotergreifer. Elektrische oder pneumatische Greifer ermöglichen es Cobots, unterschiedliche Bauteile zu greifen, zu transportieren und zu positionieren.
Weitere Werkzeuge, die bei Cobots eingesetzt werden können, sind beispielsweise:
- Vakuumgreifer
- Schraubsysteme
- Schweißausrüstung
- Polier- und Schleifwerkzeuge
- Kraft-Drehmoment-Sensoren
- Kamerasysteme
- Dosiersysteme
Die Auswahl des Endeffektors ist zugleich ein Bestandteil der Sicherheitsauslegung.
Wird beispielsweise ein scharfes oder schweres Werkzeug am Ende eines kollaborativen Roboters angebracht, müssen die Bedingungen der Mensch-Roboter-Zusammenarbeit möglicherweise neu bewertet werden.
Wo werden Cobots eingesetzt?
Die flexible Programmierbarkeit von Cobots und ihre Fähigkeit, in gemeinsamen Arbeitsbereichen mit Menschen eingesetzt zu werden, ermöglichen die Automatisierung zahlreicher Aufgaben in unterschiedlichen Branchen.
Montage
Cobots können bei der Montage kleiner Bauteile, beim Schrauben, Positionieren und bei wiederkehrenden Montagevorgängen eingesetzt werden.
Dabei können hybride Produktionssysteme entstehen, in denen der Mensch Entscheidungsaufgaben oder feinmotorische Tätigkeiten übernimmt, während der Roboter repetitive Arbeitsschritte ausführt.
Maschinenbeschickung
Cobots können CNC-Maschinen, Pressen und andere Produktionsanlagen be- und entladen.
Dadurch kann die Belastung von Bedienern durch wiederholte Be- und Entladevorgänge reduziert werden.
Pick-and-Place
Das Bewegen von Produkten oder Bauteilen von einer Position zu einer anderen gehört zu den häufigsten Cobot-Anwendungen.
In Verbindung mit Kamerasystemen können Positionen von Bauteilen dynamisch erkannt werden.
Qualitätsprüfung
Kameras, Messsensoren oder andere Prüfeinrichtungen können an einem Cobot montiert werden, um Bauteile automatisch zu kontrollieren.
Die hohe Wiederholgenauigkeit des Roboters ermöglicht es, Sensoren bei jedem Produkt aus vergleichbaren Positionen messen zu lassen.
Verpackung und Palettierung
Cobots können auch für wiederkehrende Aufgaben wie Verpacken, Einlegen von Produkten in Kartons oder Anordnen von Produkten auf Paletten eingesetzt werden.
Oberflächenbearbeitung
Kraftgeregelte Robotersysteme können bei kontaktbasierten Prozessen wie Schleifen, Polieren und Oberflächenreinigung eingesetzt werden.
Der Roboter kann mithilfe der Sensorrückführung die auf die Oberfläche ausgeübte Kraft auf einem definierten Niveau halten.
Welche Vorteile bieten Cobots?
Ein wesentlicher Vorteil von Cobots besteht darin, flexible Automatisierungslösungen in Produktionsumgebungen zu ermöglichen.
Klassische Roboterzellen können in bestimmten Anwendungen erheblichen Platzbedarf und umfangreiche Sicherheitsinfrastruktur erfordern. Kollaborative Anwendungen, bei denen eine geeignete Risikobeurteilung durchgeführt wurde, können dagegen in manchen Fällen kompakter umgesetzt werden.
Dank ihrer leichter zugänglichen Programmierung lassen sich Cobots außerdem vergleichsweise flexibel für unterschiedliche Aufgaben neu konfigurieren.
Zu den wichtigsten Vorteilen können gehören:
- Anpassungsfähigkeit an flexible Produktionssysteme
- Möglichkeit zur Arbeit in unmittelbarer Nähe zu Menschen
- Einfachere Programmierung und Aufgabenänderung
- Automatisierung wiederkehrender Tätigkeiten
- Potenzial für kompaktere Zellkonzepte
- Integration verschiedener Sensoren und Endeffektoren
- Eignung für kleine und mittlere Produktionsumgebungen
Welche Grenzen haben Cobots?
Obwohl Cobots in vielen Anwendungen Vorteile bieten, sind sie nicht für jeden Produktionsprozess die optimale Lösung.
Da sie für eine engere Interaktion mit Menschen ausgelegt sind, müssen Robotergeschwindigkeit und auftretende Kräfte in bestimmten Anwendungen begrenzt werden.
Dadurch können klassische Industrieroboter bei Produktionslinien mit sehr hohen Taktanforderungen die bessere Wahl sein.
Auch die Traglast vieler Cobots ist geringer als bei schweren Industrierobotern.
Darüber hinaus bedeutet die kollaborative Auslegung des Roboterarms nicht automatisch, dass das gesamte System sicher ist.
Endeffektor, Werkstück, umliegende Maschinen und die ausgeführten Roboterbewegungen müssen im Rahmen einer umfassenden Risikobeurteilung berücksichtigt werden.
Bei der Auswahl eines Cobots sollten daher nicht nur die technischen Daten des Roboters, sondern der gesamte zu automatisierende Prozess bewertet werden.
Werden Cobots Menschen ersetzen?
Ein grundlegender Anwendungsfall von Cobots besteht darin, Aufgaben zwischen Mensch und Roboter aufzuteilen.
Menschen sind häufig im Vorteil, wenn Problemlösung, Entscheidungsfindung, Anpassungsfähigkeit und feinmotorische Fähigkeiten erforderlich sind. Roboter eignen sich dagegen besonders für repetitive, ergonomisch belastende oder sehr gleichförmig auszuführende Tätigkeiten.
Das Ziel vieler Cobot-Anwendungen besteht daher nicht darin, den Menschen vollständig aus dem Produktionsprozess zu entfernen, sondern bestimmte Teile seiner Arbeit zu automatisieren.
In einer Montagelinie kann ein Cobot beispielsweise schwere oder repetitive Bauteile handhaben, während sich der Bediener auf komplexere Montagearbeiten und Qualitätsbewertungen konzentriert.
Auf diese Weise können die unterschiedlichen Stärken von Menschen und Robotern innerhalb desselben Produktionsprozesses miteinander kombiniert werden.
Die Zukunft der Cobot-Technologie
Cobot-Systeme entwickeln sich zunehmend über einfache mechanische Roboterarme hinaus.
Die Integration von maschinellem Sehen, künstlicher Intelligenz, fortschrittlicher Kraftregelung, digitalen Zwillingen und Sensorik der nächsten Generation ermöglicht es Cobots, sich besser an variable Produktionsumgebungen anzupassen.
Visuelle Wahrnehmung und KI-basierte Systeme können Robotern ermöglichen, unterschiedliche Objekte zu erkennen, Veränderungen in ihrer Umgebung wahrzunehmen und bestimmte Aufgaben flexibler auszuführen.
Digitale Zwillinge und Robotersimulationen können darüber hinaus dabei helfen, Cobot-Anwendungen zunächst in virtuellen Umgebungen zu entwickeln und zu testen, bevor sie auf realen Anlagen eingesetzt werden.
In Zukunft dürften Cobots eine größere Rolle in flexiblen Fertigungssystemen, in der variantenreichen Produktion kleiner Stückzahlen, in Smart Factories und in menschenzentrierten Automatisierungskonzepten übernehmen.
Durch die Kombination mechanischer Systeme, Sensoren, Servoregelung, eingebetteter Software, industrieller Bildverarbeitung und Sicherheitstechnologien auf einer gemeinsamen Plattform gehören Cobots zu den unmittelbarsten und praxisnahesten Anwendungsbeispielen moderner Mechatronik.