Keine Angst vor großen Teilen

Über fehlendes Interesse des Fachpublikums konnte sich Alois Buchstab während der Hannover Messe nicht beklagen. „Wenn sich etwas bewegt, dann ist das immer interessant“, weiß der Leiter Industrial Business Development bei der Kuka Roboter GmbH. Am Stand des Roboterbauers in Halle 17 bildeten sich immer wieder kleine Menschentrauben. Jeder wollte einen Blick auf die Schwerlastplattform werfen, auf der ein Roboter montiert war und die sich innerhalb einer abgesperrten Fläche geschmeidig über die braunen Hallenfliesen bewegte. Immer wieder näherte sich das Fahrzeug dem imposanten Segment eines Rotorblatts einer Windkraftanlage, das die Augsburger ebenfalls im Messegepäck hatten und auf dem Stand platzierten. Hatte das orangene Ungetüm seine Zielposition am Rotorblatt erreicht, dann begann der Roboter mit einer symbolischen Bearbeitung der Oberfläche. „Wir wollten in der Halle natürlich nicht wirklich schleifen, den Stand in Staubwolken hüllen und die Besucher vertreiben“, scherzt Buchstab.

Die Fragen der Messegäste waren für Buchstab extrem wichtig, denn die werden am Ende darüber entscheiden, was aus dem vorgestellten Konzeptfahrzeug einmal werden soll, welche Branchen für einen industriellen Einsatz interessant sind. Es wurden viele Fragen gestellt, mit denen der Kuka-Mitarbeiter nicht wirklich gerechnet hatte. Zum Beispiel: Was sind das denn für merkwürdige Räder an der Plattform? Oder: Lässt sich das Ding auch auf einem Schiff einsetzen? Andere wollten wissen, wie lange man den Roboter oben auf der Plattform betreiben kann, so ganz ohne Kabel, nur mit Batterien. Oder wie das Ganze überhaupt angetrieben wird. „Wir mussten erst mal viele grundsätzliche Fragen klären, bevor es zu einer fachspezifischen Diskussion kam“, erzählt Buchstab.

Große Bauteile, wie sie im Schiffs- oder Flugzeugbau anfallen, machten der Automatisierungsbranche schon immer Kopfzerbrechen. Die Kernfrage dabei war: Wie soll man solche Werkstücke mit einem Roboter vernünftig bearbeiten? Bislang gibt es dafür nur starre Lösungen, die ein Fundament und Schienen brauchen, auf denen sich der Roboter bewegen kann. Der zentrale Nachteil dabei ist, dass das Bauteil zur Anlage gekarrt werden musste, egal wie groß oder empfindlich es war. Das geht zwar immer irgendwie, meist mit dem Hallenkran, aber der Aufwand ist hoch und am Ende rechnet sich die Anlage einfach nicht, auch nicht über Jahre.

Die Qualitätssicherungs-Branche hatte mit den gleichen Problemen zu kämpfen (siehe auch Kasten), half sich jedoch schon früh mit portablen Lösungen aus der Klemme. Heute reist der Techniker zum Beispiel mit einem Lasertracker im Gepäck zum Kunden und führt vor Ort seine Messungen durch. Es spielt dabei keine Rolle, wie groß oder wie schwer der Prüfling ist, denn der muss nicht bewegt werden. Die Roboterbauer taten sich mit mobilen Lösungen schwerer. Vielleicht deswegen, weil ein Industrie-Roboter für den Transport nun wirklich nicht gedacht ist. Im Gegenteil: Der stählerne Kollege braucht ein festes Fundament und muss bombensicher verankert sein.

So dauerte es etwas länger, bis ein Unternehmen die bisherigen Konzepte in Frage stellte und nach Alternativen suchte. Die Entwickler bei Kuka waren die ersten, die den Gedanken konsequent zu Ende gedacht haben. Und sie haben mit dem neuen Konzeptfahrzeug echte Pionierarbeit geleistet. Dabei war die Entwicklungsphase für Alois Buchstab im Rückblick keineswegs dramatisch: „Ich war überrascht, wie problemlos das über die Bühne ging.“ Das lag sicher auch daran, dass Kuka vor rund 5 Jahren bereits eine gewisse Vorarbeit geleistet hatte: Das Modell omniRob ist ein kabellos gesteuerter, filigraner Leichtbauroboter mit eigener Navigation, der ebenfalls auf einer mobilen Plattform montiert ist. Das Gerät kann allein oder in Zusammenarbeit mit dem Menschen Transportdienste in der industriellen Produktion oder in der Werkstatt erledigen. Im Prinzip ist omniRob eine kleine Ausgabe des Konzeptfahrzeugs, das jetzt auf der Hannover Messe vorgestellt wurde. „Da war die Entwicklung schon zu erkennen“, ist sich Buchstab sicher. „Wir haben dem Modell jetzt den Spielzeug-Charakter genommen und daraus eine mobile Industrie-Robotik gemacht.“

Bei dem neuen Konzeptfahrzeug werden ausschließlich Standard-Komponenten verwendet, die man über den Produktkatalog bei Kuka bestellen kann. Die erste Komponente ist eine omnidirektional angetriebene Schwerlast-Plattform, genannt omniMove, mit so genannten Mecanum-Rädern (siehe auch Kasten), die sich in jede beliebige Richtung wie ein Luftkissen bewegen kann. Das Produkt wird von Kuka bereits seit geraumer Zeit für Transportaufgaben angeboten. „Mit der Technik kennen wir uns aus“, versichert Alois Buchstab. „Das kleinste Modell mit vier Rädern, das wir anbieten, kann drei Tonnen transportieren.“ Die Augsburger haben aber auch schon 35 m lange Fahrzeuge für die Luftfahrt-Branche gebaut, mit der sich 100 t schwere Teile durch die Halle bewegen lassen. Die zweite Komponente ist ein Standard-Industrieroboter aus der KR-Quantec-Serie von Kuka, der einfach auf das Fahrzeug gestellt wurde. Hinzu kommt eine Standard-Steuerung KR-C4, die über handelsübliche Bleibatterien und einem Konverter mit Strom versorgt wird. Mit Hilfe einer autonomen Navigations-Software, die von Kuka selbst entwickelt wurde (siehe auch Interview), bewegt sich das Fahrzeug ohne Kabelverbindung frei im Raum. „Wir haben letztendlich verfügbare Komponenten sinnvoll miteinander kombiniert, viel mehr war das nicht“, fasst Buchstab zusammen.

Das ist zweifellos untertrieben. Denn neben dem Einsatz von Standard-Komponenten hat Kuka etwas völlig Neues ausprobiert: Ein Roboter, der mit Batterien läuft. „Das war bei uns das erste Mal, dass jemand diese Idee hatte“, so Buchstab. „So etwas gab es bislang noch nicht, unsere praktische Erfahrung war gleich Null.“ Die Roboter-Spezialisten mussten sich deshalb zunächst mit grundsätzlichen Fragen beschäftigen: Wie viel Strom zieht so ein Roboter? Lässt sich das überhaupt mit Batterien lösen? Falls ja, wie lange hält eine Batterie? Was für eine Kapazität braucht man? Stationäre Tests im Haus haben dann gezeigt, dass es funktioniert. „Mit einem Konverter haben wir die 12 Volt auf 380 Volt hochtransformiert und dann die Robotersteuerung angeschlossen“, so Buchstab.

Es musste eine Batterie sein, das war von Anfang an klar. Im Zeitalter von E-Mobility kam ein Verbrennungsmotor nicht in Frage. „Lärm und Abgase, so etwas kriegt man heute in einer Produktion nicht mehr unter“, weiß Buchstab. Die Technik wurde bei Kuka bereits im Rahmen einer Diplomarbeit genauer untersucht. Es wurde ein Wasserstoffantrieb angedacht oder Kondensatoren, die Energie speichern können. Die Überlegungen gingen hin bis zu Lithium-Ionen-Batterien, die eine höhere Leistungsdichte und ein geringeres Gewicht haben, aber auch teurer sind. „Am Ende musste das Produkt bezahlbar sein“, argumentiert Buchstab. „Wir sind deshalb bei Bleibatterien geblieben.“ Diese bewährte Technik ist für Buchstab auch ein Verkaufsargument. Bleibatterien sind nicht „weiß Gott was“, sondern finden sich in jedem Gabelstapler wieder. Und sie funktionieren.

Doch wie lange lässt sich ein Roboter mit Batterien in Bewegung halten? Auf diese Frage hat Alois Buchstab bereits in der Konzeptphase eine konkrete Antwort. In Hannover auf dem Kuka-Stand lief das Fahrzeug einen ganzen Messetag am Rotorblatt auf und ab, acht Stunden ohne Unterbrechung. Am Abend betrug die Kapazität der Batterien immer noch 70 %. Genug Potenzial also, um vorne an der Roboterhand ein Werkzeug oder einen Greifer zu betreiben. Oder einen Kompressor, der Druckluft erzeugt. „Und falls es wider Erwarten nicht reichen sollte, dann setzen wir eben noch ein paar Batterien dazu“, trumpft Buchstab auf. „Das Gewicht ist nicht das Problem.“ Man denkt bei Kuka auch über Batterie-Wechselkonzepte nach. Produziert ein Anwender länger als eine Schicht, dann klappt er bei Bedarf den Deckel hoch, holt das Batterie-Pack mit dem Gabelstapler heraus und setzt ein Neues ein. Möglich sei auch das Aufladen der Batterien zwischendurch. „Nach zwei, drei Stunden ist das System wieder betriebsbereit“, so Buchstab. „Moderne Batterien lassen das zu.“

Das Thema Sicherheit ist aus Sicht von Alois Buchstab bereits gelöst. Das Fahrzeug ist mit Sensoren ausgestattet, die den Raum rund um die Plattform überwachen. Steht ein Hindernis im Weg, dann gibt es zwei Möglichkeiten: Die Plattform fährt einen Bogen oder bleibt stehen und wartet, bis sich das Hindernis – in diesem Fall ein Werker – von allein aus dem Sichtfeld der Sensoren heraus bewegt. „Bewegt sich das Fahrzeug von A nach B, dann kann nichts passieren“, so Buchstab. „Und der Roboter befindet sich zudem in einem sicheren Zustand.“ Interessant wird es dann, wenn das Fahrzeug stoppt und der Roboter mit seiner Arbeit beginnt. In diesem Fall muss sichergestellt sein, dass ein Mensch nicht in den Aktionsradius des Roboters geraten kann. Bei Kuka wird bereits darüber nachgedacht, wie das technisch gelöst werden könnte. Aus Sicht von Buchstab wäre es denkbar, um das Fahrzeug herum zusätzlich einen mitfahrenden Zaun zu befestigen.

Für Kuka lag die Entwicklung des Konzeptfahrzeugs nahe, denn die Augsburger versorgen auch die Windkraft-Branche mit Robotern. Allerdings wurden parallel ständig Diskussionen geführt, dass sich eine Portalanlage, also eine Fest-Installation auf Schienen, am Ende nicht rechnet. Denn die Rotorblätter bleiben nicht wie sie sind, sie wachsen alle zwei Jahre zwischen 5 und 10 m. Deshalb werden Rotorblätter oft noch manuell bearbeitet. „Da stehen zwanzig Leute davor, ausgestattet mit Handschleifern, Schutzanzügen und Atem-Masken und schleifen das Bauteil ab“, beschreibt Buchstab das aufwendige Oberflächen-Finish. Dabei falle eine hohe Staubbelastung an, das Ganze sei ergonomisch und gesundheitlich bedenklich. „Wir wollten deshalb ein System anbieten, das Schritt halten kann, das sozusagen mit wächst“, so Buchstab. „Jetzt sind wir mobil und können uns dem Bauteil anpassen.“

Denkbar wären auch Einsatzmöglichkeiten in ganz anderen Bereichen. Zum Beispiel könnte der mobile Roboter Werkzeugmaschinen miteinander verknüpfen, die große Bauteile bearbeiten. Das Fahrzeug fährt eine Maschine an, entnimmt das Bauteil, stapelt es auf der Plattform und legt ein neues ein. Wenn die Bearbeitung des Bauteils zum Beispiel eine halbe Stunde dauert – was durchaus üblich ist – dann könnte der mobile Roboter gleich mehrere Maschinen bestücken.

Aber noch ist alles ein Konzept, kein fertiges Produkt. Auf der Hannover Messe hat Kuka zahllose Gespräche mit potenziellen Kunden geführt. Die Unterlagen werden im Moment fieberhaft ausgewertet. „Wir wissen noch nicht genau, was der Kunde mit dem Produkt machen will“, so Buchstab. Und deshalb weiß Kuka auch alles andere noch nicht: Was für ein Werkzeug muss an den Roboter montiert werden? Wie schwer ist das Werkzeug? Welches Gewicht muss der Roboter also tragen können? Wie viel Stunden will der Kunde am Stück mit dem Roboter arbeiten? Wie viel Batterien braucht er am Ende? Und alles zusammen bestimmt schließlich die notwendige Tragfähigkeit des Fahrzeugs. Aber das ist Buchstabs geringstes Problem: „Wenn es sein muss, setzen wir einen Roboter drauf, der tausend Kilogramm heben kann.“

Uwe Böttger uwe.boettger@konradin.de

Große Bauteile sind in der Industrie ein Universal-Problem. Nicht nur die Roboterbauer, auch die Messtechniker plagten sich lange Zeit damit ab. Der Messraum liegt meist fernab der Fertigung am anderen Ende der Halle oder noch schlimmer: in einem anderen Gebäude. Der Transport von schweren Prüflingen dorthin war aufwendig und mitunter auch riskant. Zum Beispiel dann, wenn es sich um empfindliche, optische Teile gehandelt hat. Einmal angeeckt und das war´s. Das Bauteil ist Ausschuss, nicht mehr zu gebrauchen. Die Messtechnik-Branche hat schon früh erkannt, dass die mobile Prüfung vor Ort aus dem Dilemma hilft. Mit portablen, optischen Messgeräten oder mobilen Messarmen war der Transport von XXL-Prüflingen nicht mehr notwendig. Der Messtechniker kam mit seiner Gerätschaft einfach zum Bauteil. Mitunter kann die mobile Messtechnik auch einfach mit dem Auto oder dem Flugzeug zum Kunden gebracht werden. Das werden die Roboterbauer leider nicht schaffen, denn dafür sind die eisernen Gesellen nun wirklich nicht gedacht.

Herr Buchstab, wie funktioniert die autonome Navigation beim neuen Konzeptfahrzeug von Kuka?

Für die Inbetriebnahme wird das Fahrzeug einmal über die Fernbedienung durch die Produktionsumgebung gefahren. Dabei werden die Messungen der Sicherheits-Laserscanner und die Daten der Radsensorik aufgezeichnet. Mit diesen Daten wird anschließend eine Karte erstellt. Innerhalb der Karte kann sich die Plattform dann lokalisieren. Es werden zunächst Positionsvorhersagen auf Basis der Odometrie-Daten getroffen, die sich aus den Umdrehungen der Räder ableiten lassen. Danach werden diese Informationen mit den aktuellen Lasermessungen abgeglichen.

Wie findet das Fahrzeug den Weg von A nach B?

Die Karte besteht aus freien und belegten Zellen. Die autonome Navigation kann daher mit Hilfe der Karte Wege planen. Dabei werden die Kontur der Plattform und ihre dynamischen Eigenschaften berücksichtigt, sprich maximale Beschleunigung, Gewicht, maximales Drehmoment und so weiter. Der Weg lässt sich wahlweise energie- oder zeitoptimal planen.

Und wenn Hindernisse auftauchen, die nicht in der Karte eingezeichnet wurden?

Für die Lokalisierung der Plattform ist das kein Problem. Blockiert das Hindernis den derzeit geplanten Weg, dann kann das Hindernis umfahren werden. Oder die Plattform wartet, bis sich das Hindernis wieder vom geplanten Pfad weg bewegt hat.

Kann das Fahrzeug auch auf festgelegten Bahnen navigieren?

In Zukunft wird es mit so genannten virtuellen Spuren möglich sein, dass sich die Plattform ausschließlich auf fest definierten Pfaden bewegt. Virtuelle Spuren lassen sich mit der Maus in die Karte einzeichnen. Blockiert ein Hindernis die Spur, so bleibt die Plattform entweder stehen oder umfährt das Hindernis. Beim Umfahren bewegt sich das Fahrzeug innerhalb eines fest definierten Korridors um die virtuelle Spur herum und verlässt diesen auch nicht. Es wird zudem möglich sein, virtuelle Spuren als Einbahnstraßen zu definieren.

Wie sehr darf sich die Umgebung ändern, ohne dass eine neue Karte aufgenommen werden muss?

Wenn etwa ein Drittel der Umgebung konstant bleibt, dann reicht das für die Lokalisierung aus. Ist eine hohe Genauigkeit gewünscht, beispielsweise beim Andocken an ein anderes Fahrzeug, müssen diese Daten unter Umständen lokal nachprogrammiert werden. Aber nicht die ganze Karte.

Wie genau ist die autonome Navigation?

Das Fahrzeug kann sich auf fünf Millimeter genau lokalisieren. Die absolute Genauigkeit des Komplettsystems im Zusammenspiel aller Komponenten untersuchen wir im Moment noch.

Die Schwerlast-Plattform des neuen Konzeptfahrzeugs von Kuka besitzt einen omnidirektionalen Antrieb. Omnidirektional bedeutet nicht nur vorwärts und rückwärts, sondern auch links, rechts und quer inklusive Drehung. Das Fahrwerk schwebt quasi über dem Boden wie ein Luftkissen. Die technische Realisierung erfolgt dabei über so genannte Mecanum-Räder. Das Prinzip wurde in den siebziger Jahren von der schwedischen Firma Mecanum AB entwickelt. Auf dem Rad sind frei bewegliche Rollen im Winkel von 45 Grad angebracht, was eine Bewegung des Rades in jede Richtung ermöglicht. Die so ausgestatteten Fahrzeuge brauchen keine aktive Lenkung und haben typischerweise vier fest im Rechteck angeordnete Räder. Drehzahl und Drehrichtung der Räder werden über eine Steuerung einzeln vorgegeben. Dadurch wird eine beliebige Bewegung der Plattform in der Ebene möglich. Der Mecanum-Antrieb hat außerdem den Vorteil, dass sich auch schwere Lasten genau positionieren lassen.