Der neue Kollege auf dem Labortisch

Mensch-Roboter-Kollaboration

Automatisierungslösungen, die bei gleichbleibender oder steigender Qualität Wirtschaftlichkeit und Sicherheit bieten, stehen auf der Wunschliste vieler Unternehmen für die vierte industrielle Revolution. Dabei gibt es längst Firmen, die den nächsten Schritt bereits gegangen sind. Stichwort: Mensch-Roboter-Kollaboration.

Mensch-Roboter-Kollaboration.

Wer jetzt an schwere Kolosse denkt, die nur hinter teuren und platzraubenden Schutzzäunen arbeiten, liegt falsch. Auch wenn Industrieroboter zu Beginn der 2000er Jahre tatsächlich so ausgesehen haben mögen, bieten kleine, leichte Roboter seit einigen Jahren eine schnell implementierbare Alternative. Doch welchen Nutzen bringt ein solcher Roboterarm in einem modernen Labor?

Kollaborierende Roboter arbeiten auf engstem Raum mit dem Menschen zusammen. Leichtbauroboter sind heute weltweit in den unterschiedlichsten Branchen im Einsatz, zum Beispiel bei Pick-and-Place-Anwendungen, bei der Reinigung von Objekten oder bei Arbeitsschritten, die trotz hoher Wiederholungsrate mit immer derselben Kraft und gleichbleibend hoher Präzision ausgeführt werden müssen. Auch in Medizin- und Industrielaboren sowie der Medizintechnik finden sie zunehmend Anwendung.

Dazu ein Beispiel aus der Praxis: Der dänische Hörgerätehersteller Oticon bietet eine hohe Produktvielfalt verborgen im Ohr getragener Geräte. Das Unternehmen führt auch kleinere Losgrößen, die es wirtschaftlich zu realisieren gilt, und da die Hörhilfen zugunsten des Tragekomforts immer kleiner werden, bedarf es der Herstellung und Montage von Kleinstbauteilen wie Wachsfiltern, oft nicht größer als 1 mm.

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In Laboren sind kollaborierende Leichtbauroboter kein seltener Anblick mehr.

Um die Teile nach dem Spritzguss ihren Formen zu entnehmen, installierte Oticon einen mit einem Vakuum-System ausgestatteten UR5, ein sechsachsiger Knickarmroboter des dänischen Herstellers Universal Robots. Der Roboter saugt bis zu vier der winzigen Bauteile auf und sortiert sie nach Bauart in separaten Röhrchen, um die Rückverfolgbarkeit der Produkte zu gewährleisten. Das schnelle und dennoch präzise Handling filigraner Teile durch Leichtbauroboter ist so auch in modernen Laboren ohne größeren Aufwand möglich.

Einzug der Roboter in die Labore
Da sich die Roboter an ihren Werkzeugschnittstellen, je nach individuellen Anforderungen, mit unterschiedlichsten Werkzeugen bestücken lassen, sind verschiedenste Anwendungen denkbar. Die AGH University of Science and Technology im polnischen Krakau konnte zwei Herausforderungen mit UR-Robotern lösen: An einer Roboterstation für gyno-urologische Behandlungen hat ein UR5 die Aufgabe, Stammzellen in den Körper zu implantieren. Der Roboterarm wurde für diese hochpräzise Aufgabe ausgewählt, weil er die gleiche Bewegung wieder und wieder gleichbleibend genau ausführen kann. Er erlaubt eine Wiederholgenauigkeit von 0,1 mm, die eine menschliche Hand – selbst bei großer Konzentration – auf Dauer nicht erreichen kann.

In einem weiteren Projekt setzt die Universität einen UR5 an einer Mischstation für Zytostatika-Arzneimittel ein, die in der Chemotherapie bei Krebs Anwendung finden. Bislang konnte das Medikament nur von Mitarbeitern spezialisierter Krankenhausapotheken hergestellt werden, da der Vorgang Substanzen mit hoher Toxizität freisetzt, in deren Umgebung Menschen nur wenige Stunden arbeiten dürfen. Ein UR-Roboter ist weder davon betroffen, noch benötigt er eine sauerstoffreiche Atmosphäre. So lassen sich Prozesse – in einer Umgebungstemperatur von 0...50 °C – effizient automatisieren, für die Mitarbeiter bisher aufwendig ausgerüstet werden mussten.

Die kollaborierenden Leichtbauroboter sind nach ihrer Tragkraft benannt. Der UR3, UR5 und UR10 heben bis 3, 5 oder 10 kg. Durch ihre kompakte Bauweise können sie auch unter beschränkten Platzverhältnissen effizient arbeiten.

Ein vielseitiges Werkzeug
Doch es gibt noch viele weitere Aufgaben, die der Kollege Roboter in einem Labor übernehmen kann. Möchte man ein Messgerät in größeren Mengen mit Proben – etwa Bakterien- oder Brennproben – bestücken, muss ein Mitarbeiter die Proben nach der Messung, zum Beispiel alle zehn Minuten, auswechseln. Ein Roboter kann diesen Prozess automatisieren. Werden alle Proben zur Verfügung gestellt, so dass der Roboterarm sie erreichen und die Maschine mit den Proben bestücken kann, lassen sich die Messungen automatisiert auch über Nacht durchführen, ohne dass jemand den Arbeitsvorgang überwachen muss. Das spart Zeit und entlastet den Mitarbeiter von einer monotonen Tätigkeit. Er kann sich stattdessen wichtigeren Aufgaben widmen.

Auch jenseits der Chemie kann der Roboter helfen. Etwa bei Lebensdauertests, für die sich stetig wiederholende Bewegungen, manchmal mehrere Millionen Ausführungen, wichtig sind. Die Software der Roboter kann so eingestellt werden, dass sie ansteigende oder abfallende Kräfte während der Bewegung aufzeichnet. So registriert der Roboter beispielweise einen Bruch des getesteten Objekts und stoppt seine Ausführung.

In anderen Fällen ist die absolut präzise durchgeführte Reinigung von Geräten, Werkstücken oder Behältern ein entscheidendes Qualitätskriterium. Doch wenn ein Mensch mehrere hundert Mal die gleiche Bewegung ausführen muss, ist mit Fehlern zu rechnen. Ein Roboter führt den Reinigungsvorgang jedes Mal mit der gleichen Präzision aus und erreicht so bei jeder Ausführung alle Ecken und Winkel eines Objekts. Mit einer Schutzhülle versehen sind die Roboter außerdem reinraumtauglich einsetzbar, leicht zu desinfizieren und zu reinigen.

Die Arbeitsschritte der Roboterarme können intuitiv über einen Touchscreen definiert werden.

Dynamisches Duo: Die Mensch-Roboter-Kollaboration
Damit sich Mensch und Maschine im wahrsten Sinne des Wortes die Hand reichen, braucht es Offenheit und eine gewisse Zeitspanne, um ein Umdenken zu ermöglichen. Die neuen Leichtbauroboter dienen als Assistenten, die Arbeitsplätze komfortabler gestalten, repetitive sowie ergonomisch ungünstige Aufgaben übernehmen. Das ist gut für alle Angestellten, aber auch für Unternehmen, die die gewonnene Zeit beispielsweise für die Qualitätskontrolle oder andere Aufgaben nutzen wollen, die der Optimierung bedürfen. Wie aber funktioniert die sichere Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine?

UR-Roboter bestehen aus drei Teilen: einem Controller, den Gelenken und den Verbindungsstücken zwischen den Gelenken. Jedes Gelenk wird von einem Gleichstromservomotor mit 48 V angetrieben. So kann der Roboter seine Bewegungen und Geschwindigkeiten stufenlos regeln, was eine exakte Steuerung aller Bewegungsabläufe ermöglicht. Der Motor sorgt mit einem Haltestrom auch dafür, dass die Position in einer Wartestellung gehalten wird. So ist es beispielsweise auch möglich, Handbewegungen bei operativen Eingriffen zu messen, die Präzision, Akkuratesse und Sicherheit erfordern.

Das Herzstück der Innovation ist die sogenannte Mensch-Roboter-Kollaboration. Die Leichtbauroboter – TÜV zertifiziert – sind mit internen Kraftregelungen und bis zu 15 individuell justierbaren Sicherheitsfunktionen ausgestattet. Dadurch können sie nach erfolgreich abgeschlossener Risikoanalyse ohne oder nur mit minimalen Schutzvorrichtungen betrieben werden.

Der UR3 kann bereits bei einer Kraftauswirkung von gerade einmal 50 N stoppen.

Der Roboter überwacht fortlaufend die Ströme in seinen durch Gleichstromservomotoren angetriebenen Gelenken. Aus den jeweiligen Strömen, und noch einigen anderen gemessenen und bekannten Parametern, kann der Roboter die auf ihn wirkenden Kräfte bestimmen. Diese vergleicht er in Echtzeit mit den aufgrund der Physik erwarteten statischen und dynamischen Kräften. Kommt es doch einmal zu einer unerwarteten Kollision, stimmen diese beiden Werte durch den erhöhten mechanischen Widerstand nicht mehr miteinander überein. Der Roboter stoppt sofort. Bei den Modellen von Universal Robots genügt je nach Einstellung und Modell bereits eine Krafteinwirkung von lediglich 50 oder 100 N, um den automatischen Sicherheitsstopp einzuleiten.

Geringes Gewicht und leichte Bedienung
Automatisierung soll dabei helfen, bestehende und neue Herausforderungen schnell und flexibel begegnen zu können. Das gelingt nur dann, wenn die Roboter leicht, platzsparend und intuitiv bedienbar sind. So können sie schnell und effizient in den laufenden Betrieb integriert werden. Je nach Komplexität der Anwendung ist die Implementierung der Leichtbauroboter schon nach nur einem halben Tag möglich und lohnt sich selbst bei Arbeitsvorgängen mit geringer Wiederholrate.

Im sogenannten Teach-Modus können neue Aufgaben unkompliziert vorgegeben werden. Dem Roboterarm werden dabei die einzelnen Wegpunkte, die er anfahren soll, Schritt für Schritt gezeigt. Dabei führt der Bediener den Arm per Hand an die einzelnen Punkte, die über ein Touchpad gespeichert werden. Auch Mitarbeiter, die in der Automatisierungstechnik unerfahren sind, können die Justierung in kürzester Zeit durchführen. Die üblichen hohen Kosten für aufwendige Programmierung, lange Schulungen und das Einrichten teurer Abschirmzellen entfallen dadurch.

Fazit
Die Mensch-Roboter-Kollaboration zeichnet sich durch einen Mehrwert für Unternehmen und Mitarbeiter aus. Erstere erzielen kürzere Prozesszeiten, Kostensenkungen und eine erhöhte Qualität. Roboter übernehmen ergonomisch ungünstige Aufgaben und arbeiten gleichbleibend effizient – selbst unter Bedingungen, unter denen Menschen alleine nicht dieselbe Leistung gelingen würde. Die Technologie schafft in modernen Laboren neue Möglichkeiten. Abläufe können automatisiert werden, für die vorher viel Zeit und Aufwand notwendig waren. Effiziente Automatisierung ist mit kollaborierenden Leichtbaurobotern selbst in kleineren Unternehmen und Laboren möglich, denen bislang die nötigen Ressourcen und Platzverhältnisse dafür fehlten. Kreative Beispiele beweisen: Der Varianz möglicher Anwendungen sind dabei kaum Grenzen gesetzt.

Dieter Pletscher, Area Sales Manager DACH bei Universal Robots

Autor:
Dieter Pletscher
Area Sales Manager DACH bei Universal Robots
Universal Robots A/S
Energivej 25
DK-5260 Odense S
dpl@universal-robots.com
www.universal-robots.com

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