Industrieroboter oder Cobot: Welcher Roboter eignet sich besser?

Cobots gelten als attraktiver und günstiger Einstieg in die Automatisierung. Im Gegensatz zu Industrierobotern können Menschen ohne zusätzliche trennende oder nicht-trennende Schutzvorrichtungen mit oder neben Kollaborativen Robotern (oder eben Cobots) arbeiten. Allerdings ist dies nur unter strengen Vorgaben und mit begrenzter Kraft und Leistung möglich.

Kollaboratives Arbeiten geht also zulasten der Performance des Roboters. Nicht selten erweist sich erst nach dem Kauf, dass ein Cobot nicht der beste Weg für Ihre Anwendung ist. Hier erfahren Sie, wie Sie dieses Risiko vermeiden können.

Können Menschen immer Hand-in-Hand mit Cobots zusammenarbeiten? 

Unter Realbedingungen stellen Betriebe häufig fest, dass sie ihren Cobot nur mit zusätzlichen Sicherheitseinrichtungen nutzen können. Damit ist der Grundgedanke dieser Roboterart auf den Kopf gestellt: Das direkte Arbeiten mit oder neben dem Menschen wird unmöglich. Das gilt unter anderem, wenn schnell verfahren werden soll oder der Roboterarm mit Komponenten (zum Beispiel Greifern oder Werkzeugen) ausgestattet ist, die nicht für kollaboratives Arbeiten ausgelegt sind. Nicht immer kommunizieren Cobot-Hersteller diese Bedingungen vollständig – zum Unmut der Anwendenden.

Selbst, wenn ein Unternehmen in Kauf nimmt, dass der neue Roboter für die Anwendung nicht oder nur teilweise kollaborativ eingesetzt werden darf, ist eine nachträgliche Investition in Sicherheitstechnik nötig. Darüber hinaus würde ein wesentlicher Kostenfaktor für Cobots gar nicht benötigt: die zur Mensch-Roboter-Kollaboration verbauten Sensoren in den Gelenken zur Kraft- und Leistungsbegrenzung. Das Produkt wird dadurch teurer, als er es für den konkreten Anwendungsfall sein müsste. 

Digital Robot und Cobot: Was eint sie, was unterscheidet sie?

Ab 2010 ist ein Hype um Cobots entstanden. Sie erleichtern, erweitern und vergünstigen die Automatisierung für viele Anwendungen. Diese Merkmale gelten auch für Digital Robots. Sie revolutionieren Industrierobotik ebenfalls: durch die Fusion aus leistungsstarker Hardware, kinderleichter Software und den Möglichkeiten des Industrial Internet-of-Things (IIoT). Beide Roboterarten sind insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) interessant.

Um das Prinzip "Safety First" zu realisieren, müssen Roboter per se über Not- und Sicherheitshalte, mehrstufige Zustimm-Taster am Bedienpanel für das manuelle Verfahren und eine per Schlüssel einstellbare Auswahl des Betriebsmodus verfügen. Anders als Cobots arbeiten Digital Robots (und andere Industrieroboter) nicht unmittelbar Hand-in-Hand mit dem Menschen ohne trennende beziehungsweise nicht-trennende Schutzelemente. Um Roboter in der Industrie sinnvoll einsetzen zu können, sollte daher eine Safety-Schnittstelle vorbereitet sein, um diese Schutzelemente mechanisch und elektronisch einbinden zu können.

Menschen können dennoch auch eng mit Digital Robots zusammenarbeiten: einerseits physisch im gesicherten manuellen Betrieb, andererseits im laufenden Betrieb aus geschützter Entfernung. Hier erweist sich der digitale Zwilling des realen Digital Robots als hilfreiches Tool. Dieser wird auf dem Touchpad- oder externen Bildschirm 1:1 dargestellt und ermöglicht so auch eine kinderleichte grafische Programmierung im Teach-Modus. Über den digitalen Zwilling lassen sich programmierte Anwendungen außerdem anschaulich validieren, ohne den eigentlichen Roboter bewegen zu müssen. 

Die späteren Prozesse können über die Bediensoftware schon vor dem Start des Projekts simuliert werden – auf Wunsch noch bevor der reale Roboter beim Unternehmen eingetroffen ist. Eine Vernetzung über das Industrial Internet of Things (IIoT) erweitert und vereinfacht die Möglichkeiten der (digitalen) Zusammenarbeit noch einmal, etwa im Bereich Predictive Maintenance und Transparenz im Flottenmanagement. 

Ein erstes Zwischenfazit

Gerade KMU wollen unkompliziert und schnell in die Automatisierung einsteigen. Für sie kommen daher zunächst Cobots wie Digital Robots infrage. Nun fehlen kleineren und mittleren Betrieben meist zeitliche und finanzielle Budgets sowie Erfahrungswerte, um sich eingehend mit der richtigen Art von Robotern für ihre Anwendung zu beschäftigen.

Gerade beim Thema Sicherheitstechnik herrscht bei Digital Robots im Vergleich zu Cobots mehr Klarheit. Im Folgenden werden die wichtigsten Informationen zu ISO-Normen, EU-Richtlinien und CE-Kennzeichnung erläutert, die damit einhergehen.

Was bedeutet Mensch-Roboter-Kollaboration eigentlich?

Die für den sicheren Betrieb von Industrierobotern relevante ISO-Norm (ISO 10218) beschreibt in zwei Teilen Anforderungen an Roboterhersteller sowie Anlagenbauer und Integratoren. Die Norm unterscheidet zwischen vier Formen der Mensch-Roboter-Kollaboration:

• Sicherheitsbewerter überwachter Halt
• Handführung
• Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung
• Leistungs- und Kraftbegrenzung durch inhärente Konstruktion oder Steuerung

Wobei eine tatsächliche Kollaboration nur in der letztgenannten Form stattfindet. Bei den anderen arbeitet entweder der Mensch oder der Roboter. In der Fachwelt haben sich hierfür statt Kollaboration die Begriffe Koexistenz oder Kooperation etabliert.

Wörtlich heißt es in ISO 10218-1: "Der Roboter ist nur eine Komponente in einem fertigen kollaborierenden Robotersystem und ist an sich unzureichend für den sicheren kollaborierenden Betrieb. Die Anwendung des kollaborierenden Betriebs muss durch die Risikobeurteilung, die während der Auslegung des Anwendungssystems durchgeführt wird, festgelegt werden."

Übertragen auf Cobots bedeutet das: Cobots müssen so gebaut sein, dass sie keinerlei Gefahr für Menschen besteht, wenn diese ihn (un)absichtlich berühren. 

Wann ist die Zusammenarbeit zwischen Cobot und Mensch sichergestellt?

Lange war unklar, welche Anforderungen für die Zusammenarbeit erfüllt sein müssen. 2016 wurde ergänzend zur ISO-Norm hierzu die für Cobots geltende technische Spezifikation ISO/TS 15066 veröffentlicht. Sie beschreibt näher, welche Sicherheitsmerkmale für kollaboratives Arbeiten erfüllt sein müssen. Genannt wird beispielsweise eine risikofreie Kontaktfläche (keine scharfen oder spitzen Bereiche und Kanten), ausreichend Umhüllungen und/oder Polster sowie die Vermeidung von Kontaktmöglichkeiten auf Kopfhöhe. 

Unterschieden wird zwischen quasi-statischen Kontakten (ein Körperteil wird zwischen einem Roboter und einer Fläche eingeklemmt) und transienten Kontakten (Roboter und Mensch stoßen zusammen). ISO/TS 15066 geht sehr weit ins Detail und gibt in einer Schmerzschwellentabelle Grenzwerte für fast 30 Körperzonen von Kopf bis Fuß an. Das zeigt deutlich, wie hoch die genormten Ansprüche bei der Mensch-Roboter-Kollaboration und damit die Herausforderungen für Cobots sind. Deren Hersteller begegnen diesen in erster Linie mit sensibler Sensorik in den Gelenken der Roboter, die die Einhaltung der Grenzwerte überwacht.

Warum ist die CE-Kennzeichnung so wichtig und wer muss für sie sorgen?

Überprüfen können Produktionsbetriebe die Einhaltung von Sicherheitsanforderungen über die CE-Kennzeichnung am Roboter. Das CE-Zeichen weist nach, dass ein Maschinenhersteller alle für sein Produkt notwendigen EU-Richtlinien erfüllt. Nur "vollständige Maschinen" dürfen eine CE-Kennzeichnung tragen.

Da es sich bei einem Roboterarm ohne weitere Komponenten um eine "unvollständige Maschine" handelt, kann die CE-Prüfung erst nach der Ergänzung durch weitere Komponenten (zum Beispiel Werkzeuge oder Greifer) für die gesamte Anlage erfolgen. Die bewusst einfach und schlank gehaltenen Cobots können suggerieren, dass sie bereits "vollständig" im Sinne der EU-Richtlinie sind. Unternehmen, die über eine Automatisierung mit diesem Robotertypus nachdenken, sollten daher noch genauer prüfen, inwieweit sich die Verantwortung für das CE-Zeichen auf sie übertragen hat. Ohne diese Kennzeichnung darf das vollständige Robotersystem nicht in Betrieb gehen!  

Auf Unternehmen, die nicht CE-zertifizierte "unvollständige" Roboterarme erhalten haben und die Beurteilung selbst vornehmen müssen, kommen eine zeitliche Verzögerung und nachträgliche Kosten zu. Schließlich greifen Industriebetriebe in der Praxis für die Abnahme der CE-Kennzeichnung inklusive sicherheitstechnischer Überprüfung in der Regel auf spezialisierte externe Fachleute zurück.

Erneute Sicherheitsprüfung bei Änderungen des Arbeitsbereich oder der Anwendung 

Gerade bei Cobots kann, aufgrund der erweiterten Sicherheitsanforderungen angesichts der direkten Zusammenarbeit mit dem Menschen, eine solche Prüfung auch erst später oder erneut notwendig werden. Etwa dann, wenn sich der Arbeitsbereich des Roboters ändert oder Werkzeuge beziehungsweise Greifer ausgetauscht werden. 

Hier erweisen sich bereits CE-konform ausgelieferte Schnellstart-Bundles (inklusive Sicherheitstechnik und Endeffektoren) oder Plug-and-Play-Lösungen als Vorteil. Diese bieten sowohl Hersteller der innovativen Digital Robots wie von Cobots an. Im besten Fall steht der Produktion damit eine validierte und getestete All-in-One-Lösung zur Verfügung.

Wann ist die direkte Zusammenarbeit mit Cobots nicht möglich?

Besonders ärgerlich für Unternehmen, die sich gerade auf den Weg der Automatisierung begeben: Sie stellen erst bei der Risikoprüfung fest, dass der gewünschte Cobot ohne trennenden oder nicht-trennenden Schutz doch nicht kollaborativ eingesetzt werden kann. Sie kann beispielsweise erforderlich sein, wenn der Greifer spitz- oder scharfkantig ist und folglich eine Verletzungsgefahr besteht (siehe oben). Dasselbe gilt, wenn der Roboter schweißen, fräsen oder mit einem Laser arbeiten soll. Direkte Kollaborationen mit Menschen sind dann natürlich ausgeschlossen.

Besonders störend für die Planungen der Produktion ist es, wenn durch den Wechsel des Werkzeugs oder der Anwendung aus den genannten sicherheitsrelevanten Gründen das kollaborative Arbeiten nicht mehr möglich ist. Ein anderer Robotertyp hätte sich dann als sinnvollere Wahl für das  Unternehmen herausgestellt.  

Ohnehin ist die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Cobot ein beschränkender Faktor. Arbeiten sie direkt neben- oder miteinander, wird die Geschwindigkeit des Robotersystems auf ein niedriges, risikoarmes Niveau gesenkt. Die ebenfalls äußerst kompakten und agilen Digital Robots können Geschwindigkeiten von mehr als vier Metern pro Sekunde erreichen. Mit ihnen sind folglich deutlich höhere Produktionsleistungen möglich.

Weiterhin sollten Unternehmen vorab berücksichtigen: Die für Cobots obligatorische Sensorik erhöht den Preis im Vergleich zu anderen Robotern mit vergleichbarer Leistung. Es sollte daher also wirklich notwendig oder zumindest sehr wahrscheinlich sein, dass Mensch und Maschine sich bei der Arbeit berühren. Ansonsten bringt die schwächere Performance von Cobots durch die leichtere Bauweise Nachteile mit sich. 

Welche Roboterart ist nun die beste Lösung zum Einstieg in die Automatisierung? 

• Dass ein Mensch direkt mit einem Cobot zusammenarbeiten kann, ist nicht garantiert. Auch kann sich für die geplante Anwendung herausstellen, dass die Kollaboration nicht sinnvoll ist. Zum Beispiel, weil der Cobot wegen der rechtlichen Vorgaben nur noch sehr langsam mit dem Menschen Hand-in-Hand arbeiten darf.
• Der zunächst günstige Preis eines Cobots kann aufgrund zusätzlich benötigter Sicherheitstechnik um mehrere Tausend Euro steigen.
• Die verbindliche CE-Konformitätsbewertung der Anwendung stellt bei Cobots im Vergleich zu Digital Robots einen höheren Aufwand dar. Dies liegt an den für Kollaborative Roboter besonders detaillierten und strengen Richtlinien und Normen.

All diese Punkte sollten Unternehmen beim Vergleich zwischen Cobots und den ebenfalls flexiblen, günstigen und intuitiv bedienbaren Digital Robots beachten, um später kein böses Erwachen zu erleben.