Kollaborative Roboter: Flexibilität und Sicherheit in der Industrie

Kollaborative Roboter sind Industrieroboter, die für den gemeinsamen Einsatz mit Menschen im selben Arbeitsbereich konzipiert wurden. Sie werden häufig als Kobots bezeichnet - abgeleitet vom englischen Begriff collaborative robot. Im Gegensatz zu klassischen Roboteranlagen, die meist hinter Schutzzäunen arbeiten, können Kobots bestimmte Aufgaben direkt neben dem Bediener ausführen.

Diese Zusammenarbeit wird durch Begrenzung von Geschwindigkeit und Kraft, den Einsatz von Sensoren, Bewegungsüberwachung und Not-Stopp-Systemen ermöglicht. Das Fehlen eines Schutzgitters bedeutet jedoch nicht automatisch, dass jeder Kobot sicher ist: Die Sicherheit hängt stark von der jeweiligen Anwendung, den verwendeten Werkzeugen und der Gestaltung des Arbeitsplatzes ab.

Was sind kollaborative Roboter und wie unterscheiden sie sich von klassischen Industrierobotern?

Ein kollaborativer Roboter ist ein roboterbasierter Manipulator, der für Aufgaben entwickelt wurde, bei denen Mensch und Maschine im selben Arbeitsbereich agieren können. Beispielsweise platziert der Bediener ein Werkstück in eine Vorrichtung und der Kobot verschraubt es, bewegt das Teil weiter oder führt wiederholende Bewegungen aus.

Der wesentliche Unterschied zwischen Kobots und traditionellen Industrierobotern liegt nicht nur in der Größe. Klassische Industrieroboter arbeiten oft mit hoher Geschwindigkeit, bewegen schwere Lasten und können bei einer Kollision erhebliche Kräfte ausüben. Deshalb sind solche Systeme normalerweise durch Schutzeinrichtungen, Lichtschranken oder andere Sicherheitssysteme von Menschen getrennt.

Mehr darüber, wie klassische Roboterautomatisierung in Unternehmen funktioniert und welche Aufgaben Industrieroboter übernehmen, erfahren Sie im Beitrag Industrieroboter und Robotisierung: Die Zukunft der industriellen Produktion.

Kobots werden speziell für die direkte Interaktion mit Menschen entwickelt. Ihre Steuerungssysteme können die Bewegungsgeschwindigkeit, Antriebskraft und das zulässige Drehmoment begrenzen. Erkennt der Manipulator eine Kollision oder eine ungewöhnliche Belastung, stoppt er die Bewegung sofort.

Viele Modelle verfügen über Kraft- und Drehmomentsensoren, die in den Antrieben oder an bestimmten Achsen installiert sind. Die Steuerung analysiert ständig den Widerstand, dem der Roboter ausgesetzt ist. Überschreitet dieser die zulässigen Werte, interpretiert das System dies als möglichen Kontakt und stoppt die Bewegung.

Ein weiterer Vorteil von Kobots ist die vergleichsweise einfache Programmierung. Für einige Aufgaben kann der Bediener den Manipulator manuell entlang der gewünschten Bahn führen und einzelne Positionen speichern. Das verkürzt die Umrüstzeit besonders in Unternehmen, bei denen häufig Produkte gewechselt werden oder kleine Serien gefertigt werden.

Die Grenze zwischen Industrieroboter und Kobot ist jedoch nicht immer modellabhängig. Ein und derselbe Manipulator kann im kollaborativen Modus bei begrenzter Geschwindigkeit und sicherer Einstellung genutzt werden, oder - für andere Aufgaben - ein volles Schutzgitter benötigen. Wird beispielsweise ein scharfes Werkzeug montiert oder ein schweres Metallteil transportiert, hängt das Risiko nicht nur vom Roboter, sondern von der gesamten Roboterzelle ab.

Wie funktionieren kollaborative Roboter?

Im Kern eines Kobots befindet sich ein mehrachsiger Manipulator mit elektrischen Antrieben, Steuerung und einer Vielzahl von Sensoren. Die Steuerung erhält Informationen über die jeweilige Achsposition und berechnet, wie die einzelnen Achsen bewegt werden müssen, damit das Werkzeug den Zielpunkt erreicht.

Die Position der Gelenke wird durch Encoder - Sensoren, die den Drehwinkel der Antriebe bestimmen - überwacht. So kennt das System die aktuelle Konfiguration des Manipulators und kann eine vorgegebene Bahn exakt wiederholen. Je mehr Freiheitsgrade ein Roboter hat, desto komplexer sind die Bewegungen, die er auf engem Raum ausführen kann.

Kraft- und Drehmomentsensoren spielen eine besondere Rolle. Sie ermöglichen der Steuerung, den Widerstand während der Bewegung zu erfassen. Muss der Kobot beispielsweise ein Teil in eine Öffnung stecken, erkennt das System einen steigenden Widerstand und passt die Bewegung an, statt mit konstanter Kraft weiterzudrücken.

Die Steuerung überwacht gleichzeitig Geschwindigkeit, Beschleunigung und Belastung der Antriebe. Für den kollaborativen Modus werden diese Parameter limitiert: Der Roboter darf sich nicht schneller oder kraftvoller bewegen als festgelegt. Diese Begrenzungen sind besonders wichtig, wenn der Bediener in der Nähe arbeitet.

Kobots lassen sich klassisch programmieren - mit Koordinaten, Ablaufsequenzen und Bedingungen. Häufig wird jedoch das manuelle Anlernen genutzt: Der Bediener schaltet den Roboter in einen speziellen Modus, führt den Manipulator in die gewünschten Positionen und das System speichert diese ab. Anschließend kann der Roboter die Bewegungsabfolge selbstständig wiederholen.

Dieses Verfahren ist praktisch, wenn der Roboter häufig verschiedene Aufgaben übernimmt. Statt aufwändiger Programmierung genügt es, ein paar Bahnpunkte, Greifparameter oder die Reihenfolge der Aktionen zu ändern, um das System auf ein neues Bauteil einzurichten.

Am Ende des Manipulators befindet sich das jeweilige Werkzeug: Greifer, Schraubendreher, Schweißgerät, Saugnapf, Kamera oder ein anderes Modul. Dieses Werkzeug bestimmt maßgeblich die Möglichkeiten der Anlage. Der Kobot sorgt für die genaue Positionierung, die eigentliche Bearbeitung übernimmt das montierte Werkzeug.

Während des Betriebs läuft ständig ein Kontrollzyklus: Der Roboter erfasst seine Position, liest Sensordaten aus, berechnet die nächste Bewegung und prüft die Einhaltung aller Grenzen. So reproduziert der Kobot nicht nur eine vorher einprogrammierte Bahn, sondern überwacht aktiv die Ausführung.

Wie wird die Sicherheit kollaborativer Roboter gewährleistet?

Die Sicherheit kollaborativer Roboter basiert auf einer Kombination aus softwarebasierten Begrenzungen, Antriebsüberwachung und externen Überwachungssystemen. Der Kobot muss jederzeit wissen, wie schnell er sich bewegt, welche Kraft er aufbringt und ob sein Verhalten innerhalb der definierten Parameter bleibt.

Einer der wichtigsten Mechanismen ist die Begrenzung von Kraft und Leistung. Tritt der Manipulator mit einem Menschen oder Hindernis in Kontakt, erkennt das System den unerwarteten Widerstand. Überschreitet dieser die zulässigen Werte, stoppt der Roboter oder reduziert die Kraft, um das Verletzungsrisiko zu minimieren.

Auch die Bewegungsgeschwindigkeit wird überwacht. Wenn sich eine Person in der Nähe befindet, arbeitet der Kobot langsamer als ein klassischer Industrieroboter. Je größer Geschwindigkeit und Masse der bewegten Teile, desto höher die Kollisionsenergie - deshalb werden Bewegungsparameter an die jeweilige Aufgabe angepasst.

Zur Überwachung des Arbeitsbereichs können Kameras, Laserscanner und andere Präsenzsensoren eingesetzt werden. Sie erkennen das Annähern einer Person, noch bevor es zum Kontakt kommt. Je nach Einstellung verlangsamt der Roboter zunächst seine Bewegung und stoppt bei weiterer Annäherung komplett.

Ein weiteres Sicherheitsmerkmal ist die softwarebasierte Begrenzung des Arbeitsbereichs. Der Steuerung können Grenzen vorgegeben werden, die der Manipulator nicht überschreiten darf. So lässt sich beispielsweise verhindern, dass der Roboter in Richtung eines Durchgangs, des Bedienerarbeitsplatzes oder benachbarter Maschinen schwenkt.

Das System überwacht zudem Position und Zustand der Antriebe. Weicht die Bewegung einer Achse von den Vorgaben ab, entsteht eine Überlastung oder meldet ein Sensor einen Fehler, kann der Roboter einen Notstopp ausführen. Diese Kontrolle hilft nicht nur bei Kollisionen, sondern auch bei technischen Störungen.

Ein sicherer Manipulator allein bedeutet jedoch noch keine sichere Roboterzelle. Entscheidend ist auch das am Ende montierte Werkzeug. Ein Greifer mit weichen Komponenten und kleinem Kunststoffteil birgt ein deutlich geringeres Risiko als ein scharfes Werkzeug, ein heißes Teil oder ein schweres Metallobjekt.

Vor dem Einsatz eines Kobots wird deshalb immer der gesamte Arbeitsprozess betrachtet: mögliche Kollisions- und Quetschpunkte, Gewicht der zu bewegenden Objekte, Geschwindigkeit, eingesetzte Werkzeuge und die Wahrscheinlichkeit, dass sich Menschen in verschiedenen Bereichen aufhalten. Diese Analyse entscheidet, ob der Roboter tatsächlich ohne weitere Schutzeinrichtungen betrieben werden kann.

Warum können Kobots ohne Schutzgitter arbeiten?

Klassische Industrieroboter werden häufig durch Schutzzäune von Menschen getrennt, weil sie mit hoher Geschwindigkeit arbeiten und schwere Teile bewegen. Gerät ein Mensch versehentlich in den Arbeitsbereich, kann der Roboter nicht rechtzeitig stoppen, um einen Zusammenstoß zu verhindern.

Kollaborative Roboter sind für andere Szenarien ausgelegt. Ihre Bewegung kann hinsichtlich Geschwindigkeit, Kraft und Arbeitsbereich limitiert werden und die Sicherheitssysteme überwachen die Anwesenheit von Personen. Dadurch können Kobots bei bestimmten Anwendungen tatsächlich ohne klassische Schutzgitter eingesetzt werden.

Ein Ansatz ist das Arbeiten mit begrenzter Kraft und Leistung. Der Manipulator bewegt sich so, dass eine mögliche Berührung keine Gefahr darstellt. Erkennt das System eine Kollision oder Überschreitung der Kraftgrenzen, stoppt die Bewegung sofort.

Eine andere Methode basiert auf der Überwachung des Abstands. Kameras, Laserscanner oder andere Sensoren erzeugen Kontrollzonen um den Roboter. Solange der Mensch entfernt bleibt, arbeitet der Kobot mit höherer Geschwindigkeit. Nähert sich der Bediener, verlangsamt der Roboter und stoppt bei Betreten der kritischen Zone vollständig.

Gelegentlich erfolgt die Zusammenarbeit im Wechselbetrieb: Der Mensch erledigt seinen Teil, danach übernimmt der Roboter. Das System stellt sicher, dass keine gefährlichen Bewegungen starten, solange sich der Bediener im Arbeitsbereich befindet.

Der Verzicht auf physische Schutzeinrichtungen macht den Arbeitsplatz kompakter und erleichtert die Interaktion mit der Anlage. Der Bediener muss keine Türen öffnen, um Teile zu wechseln, Werkstücke neu zu positionieren oder das Ergebnis zu kontrollieren.

Allerdings ist der Einsatz ohne Schutzgitter nicht immer möglich. Transportiert der Roboter schwere Bauteile, arbeitet mit scharfen Werkzeugen, hohen Temperaturen oder potenziell gefährlichen Geräten, reichen integrierte Sicherheitsfunktionen allein oft nicht aus.

Die Aussage "Der Kobot arbeitet ohne Schutzgitter" beschreibt daher nur einen möglichen Betriebszustand. Die Entscheidung wird für die gesamte Roboterzelle unter Berücksichtigung von Geschwindigkeit, Werkzeug, transportiertem Objekt, Arbeitsplatzgestaltung und dem Abstand von Menschen zu bewegten Teilen getroffen.

Wo werden kollaborative Roboter eingesetzt und wofür sind sie im Betrieb nützlich?

Kollaborative Roboter sind besonders dort hilfreich, wo eine vollständige Automatisierung schwierig ist, aber sich wiederholende Aufgaben an Maschinen abgegeben werden können. Der Mensch bleibt im Prozess und übernimmt Tätigkeiten, die Flexibilität, Situationsbewertung oder manuelle Arbeit erfordern.

Einer der häufigsten Einsätze ist die Montage. Der Kobot reicht Teile an, hält Komponenten in Position, verschraubt sie oder übernimmt monotone Bewegungen. Der Bediener konzentriert sich auf komplexere Aufgaben und kontrolliert das Ergebnis.

Ein weiteres Beispiel ist die Maschinenbestückung. Der Roboter nimmt das Rohteil auf, platziert es in der Maschine, entnimmt nach dem Zyklus das Fertigteil und legt ein neues ein. So lassen sich monotone Abläufe automatisieren, ohne die Produktionslinie komplett umzubauen.

Kobots werden auch für Verpackung, Sortierung und Transport von Produkten eingesetzt. Der Manipulator greift Teile vom Förderband, sortiert sie in Kartons oder transportiert sie zwischen Arbeitsstationen. Mit Kameras und Bildverarbeitungssystemen kann der Roboter zusätzlich Objektlage und Typ erkennen.

Im Qualitätsmanagement helfen Kobots, Kameras, Messgeräte und andere Sensoren exakt entlang vorgegebener Bahnen zu bewegen. So kann die Maschine für jedes Werkstück identische Bewegungen ausführen und automatisierte Prüfungen von Oberfläche, Maßhaltigkeit oder Montage durchführen.

Der Vorteil von Kobots zeigt sich besonders bei kleinen Serien. Klassische Automatisierung ist meist nur bei langen Laufzeiten wirtschaftlich, während kollaborative Roboter schnell umgerüstet oder an anderen Arbeitsplätzen eingesetzt werden können.

Ihre Kompaktheit erlaubt zudem den Einsatz an Orten, an denen für große Roboterzellen kein Platz ist. Das Fehlen massiver Schutzgitter verringert den Platzbedarf und erleichtert dem Bediener den Zugang zur Maschine.

Kobots ersetzen jedoch nicht in allen Bereichen klassische Industrieroboter. Die für die Sicherheit notwendige Begrenzung von Geschwindigkeit und Kraft wirkt sich auf die Produktivität aus. Für schnelle Bewegungen schwerer Teile oder Aufgaben mit maximalem Zyklustempo ist ein traditioneller Roboter hinter Schutzgittern oft effektiver.

Kobots sind daher überall dort besonders nützlich, wo sich die Arbeit vorteilhaft zwischen Mensch und Maschine aufteilen lässt. Sie übernehmen wiederholende, körperlich anstrengende und monotone Tätigkeiten, während der Bediener Aufgaben mit Flexibilität und Entscheidungsbedarf verantwortet.

Fazit

Kollaborative Roboter machen die Automatisierung flexibler: Anstatt Maschinen und Menschen zu trennen, ermöglichen sie die Zusammenarbeit im selben Arbeitsraum. Dafür werden Geschwindigkeit und Kraft begrenzt, Positionen überwacht, Kraftsensoren, Personenerkennung und softwarebasierte Arbeitsraumgrenzen eingesetzt.

Ein Kobot ist jedoch nicht allein durch seine Bauweise sicher. Es müssen Werkzeug, Gewicht der Teile, Bewegungsgeschwindigkeit und die jeweilige Anwendung berücksichtigt werden. Erst eine Analyse der gesamten Roboterzelle entscheidet, ob auf Schutzgitter verzichtet werden kann.

Kobots sind besonders dort vorteilhaft, wo Produktion regelmäßig umgestellt, kleine Serien gefertigt oder wiederholende Aufgaben an Maschinen abgegeben werden sollen - der Mensch bleibt Teil des Prozesses. Für Hochgeschwindigkeits- und Schwerlastaufgaben sind klassische Industrieroboter weiterhin die bessere Wahl.