Cobots im Analytischen Labor

Sinnvolles Tool oder Gadget?

Derzeit erleben wir einen regelrechten Cobot-Hype. Suchmaschinen wie Google liefern mittlerweile mehr als 861.000 Ergebnisse. Cobots sind heute in aller Munde und finden zunehmendes Interesse auch in der Laborautomation. Aber was sind Cobots? Sind sie in der Laborautomation tatsächlich sinnvolle Tools oder nur ein nettes Spielzeug?

Der Begriff „Cobot“ stammt aus dem englischen (Collaborative Robot) und bezeichnet prinzipiell Industrieroboter, die im Produktionsprozess nicht vom Menschen getrennt sind, sondern vielmehr mit diesem gemeinsam arbeiten. In der Patentschrift von 1997 definieren J. E. Colgate und M. A. Peshkin Cobots wie folgt [1]:
Mit der Etablierung der Cobots gelang eine wesentliche Weiterentwicklung der klassischen Industrieroboter, die i.d.R. vollkommen getrennt vom Menschen arbeiten. Durch die Integration zahlreicher Sensoren, die die Sicherheit z.B. durch Abschalten bei Berührung eines Hindernisses erhöhen, können kollaborierende Roboter in unmittelbarer Nähe zum Menschen arbeiten bzw. auch direkt mit dem Menschen zusammenarbeiten. Aufwändige Schutzeinrichtungen wie Einhausungen oder Lichtschranken / -vorhänge können daher entfallen. Aktuelle Versionen der Normen ISO 1028 Teil 1/2 sowie ISO/TS 15066 definieren die sicherheitstechnischen Anforderungen auch für kollaborierende Roboter [2], [3], [4].
In Cobots können die klassischen Vorteile von Robotern wie Kraft, hohe Präzision und Reproduzierbarkeit und Ausdauer mit menschlichen Eigenschaften wie Erfahrung, Kreativität, oder auch Überblick verbunden werden und vollkommen neue Möglichkeiten und Anwendungen erschließen.
 
Kollaboration?
Auch wenn der Name „Cobot“ sich vom Begriff Collaboration ableitet, stellt die wirkliche Kollaboration zwischen Mensch und Roboter nur die engste Form der Zusammenarbeit dar. Am häufigsten findet sich die Koexistenz, bei der Mensch und Roboter ohne Schutzraum in enger Nachbarschaft arbeiten, allerdings keinen gemeinsamen Arbeitsraum haben. Teilen sich Mensch und Roboter einen Arbeitsraum, sprechen wir von Kooperation. Dies können z.B. Übergabestationen sein, bei denen der Mensch ein Teil oder Werkstück übergibt und der Roboter dies anschließend abholt.

Mensch und Roboter arbeiten zwar in einem gemeinsamen Raum, aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Die engste Zusammenarbeit ist die Kollaboration, bei der Mensch und Roboter gleichzeitig an einem Teil / Werkstück arbeiten (allerdings verrichten beide unterschiedliche Aufgaben).

In den letzten Jahren sind zahlreiche Cobots auf dem Markt erschienen, zunächst noch unter der allgemeineren Bezeichnung Leichtbauroboter. Firmen wie Kuka, Universal Robots, ABB, Rethink, Kawasaki, Yaskawa, Franka Emika oder Denso bieten heute zahlreiche Systeme an.
Welche Bedeutung haben Cobots aber in der Laborautomation? Aufgrund ihrer Leichtbauweise haben sie zahlreiche Vorteile. Labortechnische Anwendungen haben i.d.R. nicht die Anforderungen an die Tragkraft wie sie in klassischen industriellen Bereichen bestehen. Klassische Industrieroboter sind im Labor häufig überdimensioniert. Dies wirkt sich auch in erheblichem Maße auf den Preis der Robotersysteme aus. Mit den modernen Cobots stehen leistungsfähige Systeme zur Verfügung, die sich darüber hinaus durch moderate Preise auszeichnen. Auch der mögliche Verzicht auf Sicherheitseinhausungen und Lichtschranken stellt einen Vorteil dar. Auf Cobots basierende Automationssysteme haben dadurch einen geringeren Platzbedarf und ermöglichen auch die flexiblere Nutzung von integrierten Teilkomponenten wie Optischen Readern, Zentrifugen oder auch Analysenmesssystemen (GC, LC, MS), wenn diese im Roboterprozess nicht eingesetzt werden. Aber sind Cobots im Labor tatsächlich in kollaborativer Art einsetzbar? Wohl kaum. Die Anzahl der Prozesse, bei denen Roboter und Mensch gemeinsam an einer Aufgabe arbeiten, dürfte sehr gering sein. Es erscheint kaum vorstellbar, dass klassische Laborarbeiten wie Pipettieren, Abwägen, Schütteln, Extrahieren oder das Erfassen von Messwerten von Mensch und Roboter gemeinsam bearbeitet werden. Bleiben Kooperation und Koexistenz als mögliche Formen der Zusammenarbeit. Bei letzterer werden die Cobots in automatisierten Gesamtsystemen eingesetzt, in denen bei bisherigen Konzepten klassische Industrieroboter eingesetzt wurden. Am Gesamtkonzept der Automation ändert sich wenig. Aufgrund der geringeren Kosten sind nun allerdings auch Bereiche einer Automation der Probenvorbereitung und Messtechnik zugänglich, in denen dies bislang aus Kostengründen nicht möglich war. Damit wird die Automation von Laborprozessen zunehmend auch für kleine und mittlere Unternehmen sowie für Forschungseinrichtungen interessant und erschwinglich. Hierbei werden flexible Komplettsysteme (Automationsstraßen) im Mittelpunkt des Interesses stehen, um größere Probenzahlen zu besseren Preisen bearbeiten zu können. Zu beachten ist allerdings, dass bei weitem nicht alle Roboter auch mit einer geeigneten Steuersoftware ausgestattet sind. Diese kann teilweise von externen Firmen zugekauft oder muss in Eigenregie entwickelt werden. Je nach Aufgabenumfang können dabei erhebliche Kosten anfallen.
 
Mehr Cobots – mehr Probleme?
Aufgrund der geringen Kosten der Cobots ist es prinzipiell auch denkbar, unterschiedliche Laborgeräte mit Robotern zu komplettieren. Diese könnten, insbesondere bei Messsystemen, aber auch bei Dosiersystemen, Schüttlern, Heizern und anderen Laborgeräten als Übergabeeinheit fungieren und die vom Menschen abgestellten Proben den jeweiligen Geräten zuführen bzw. aus diesen nach Ablauf der entsprechenden Prozesszeiten wieder entfernen. Dies entspricht dem kooperierenden Modus und würde eine erhebliche Erleichterung der Laborarbeiten darstellen. Die vorhandene Laborsituation könnte weitestgehend erhalten bleiben, umfangreiche Umstrukturierungen sind nicht erforderlich. Bei diesem Ansatz sind allerdings mehrere Dinge zu beachten. Sollen viele Laborgeräte mit Robotern komplettiert werden, ergeben sich aufgrund der Anzahl der erforderlichen Cobots hohe Investitions- und Wartungskosten. Einfache Übergabeprozesse erfordern i.d.R. keine große Anzahl an Freiheitsgraden, d.h., auch Cobots wären in diesem Fall überdimensioniert und könnten durch einfachere Systeme mit weniger Freiheitsgraden ersetzt werden. Das größte Problem stellt allerdings die Ansteuerung der Systeme dar. Hier sind i.d.R. übergeordnete Leitsysteme erforderlich, insbesondere dann, wenn Proben insgesamt mehrere Stationen durchlaufen und dabei mehrere Roboter und Laborgeräte verwaltet und angesteuert werden müssen. Diese Workflow-Management-Systeme können je nach gewünschtem Umfang an Möglichkeiten und Flexibilität schnell sehr umfangreich und damit auch teuer werden.
 
Fazit
Ist der derzeitige Cobot-Hype also wirklich gerechtfertigt? Cobots sind eine sinnvolle und logische Weiterentwicklung der klassischen Industrieroboter. Ihr möglicher Einsatz sowie die Art und Weise des Einsatzes (Koexistenz, Kooperation, Kollaboration) sind sehr von der jeweiligen Applikation abhängig. Im Bereich der Laborautomation werden aufgrund der Aufgabenstellungen und Anforderungen auch in den kommenden Jahren sicher die beiden ersten Varianten überwiegen. Im kooperierenden Sektor ist dabei für unterschiedliche Laborstationen und den Transport zwischen den Stationen eine besondere Form von Cobots sinnvoll: mobile Roboter. Diese können entweder nur Transportaufgaben zwischen verschiedenen Stationen übernehmen oder aber auch die Zufuhr der Proben zu einzelnen Laborgeräten übernehmen. Damit kann die insgesamt erforderliche Anzahl an Robotern begrenzt werden. Allerdings bleiben die Anforderungen an die Workflow-Management-Systeme bestehen und werden zusätzlich um eine Mobilitätskomponente erhöht. Mobile Roboter finden derzeit Eingang in den Automationsbereich; aufgrund der hohen Kosten (vergleichbar mit klassischen Industrierobotern) stellen sie derzeit aber noch keine wirkliche Alternative dar.

 

Autorin
Kerstin Thurow

 

Kontakt   
Prof. Dr.-Ing. habil. Kerstin Thurow

Celisca, Universität Rostock
Rostock, Deutschland
Kerstin.Thurow@celisca.de

 

Literatur:
[1]   Colgate, J. E.; Peshjin, M. A.: Cobots. US Patent US 5952796 A. 14.09.1999 (https://www.google.com/patents/US5952796)

[2]   ISO 10218-1:2011-07 Industrieroboter - Sicherheitanforderungen - Teil 1: Roboter2011-0

[3]   DIN EN ISO 10218-2:2012-06 Industrieroboter - Sicherheitsanforderungen - Teil 2: Robotersysteme und Integration (ISO 10218-2:2011)

[4]   DIN ISO/TS 15066:2017-04;DIN SPEC 5306:2017-04 Roboter und Robotikgeräte - Kollaborierende Roboter (ISO/TS 15066:2016)

 

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