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Mensch-Roboter-Kollaboration

Zusammenarbeit von Mensch und Roboter

| Autor/ Redakteur: Andrea Gillhuber / Andrea Gillhuber

Die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter nimmt in der Industrie weiter zu. Allerdings gilt es die unterschiedlichen Formen wie Kollaboration oder Kooperation zu unterscheiden.

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Klassischer Einsatz von Industrierobotern: Hinter einem Schutzzaun setzen Industrieroboter vollautomatisiert ein Automobil zusammen.
Klassischer Einsatz von Industrierobotern: Hinter einem Schutzzaun setzen Industrieroboter vollautomatisiert ein Automobil zusammen.
(Bild: ©Nataliya Hora - Fotolia.com)

Sie sind aus einer modernen Produktion nicht mehr wegzudenken: Industrieroboter. Eigentlich wurden sie in den 1950er-Jahren entwickelt, um Aufgaben in für Menschen gesundheitsgefährdenden Umgebungen zu übernehmen. Als Anwendungsbeispiel ist hier der Umgang mit radioaktiven Materialien mittels eines Teleoperator-Arms zu nennen.

Schnell entdeckte aber auch die Industrie die Vorteile eines programmierbaren Manipulators. In den unterschiedlichsten Quellen wird als der erste Einsatzort eines Industrieroboters eine Produktionslinie beim Automobilriesen General Motors genannt. Und auch heute noch sind die industriellen Manipulatoren an den Montagelinien bei jedem Automobilhersteller zu finden, wo sie selbstständig unter anderem Schweiß- und Fügearbeiten, Positionier- und Messaufgaben übernehmen.

In den klassischen industriellen Produktionsprozessen führen Roboter lediglich die Arbeitsschritte durch, für die sie programmiert wurden. Eine Zusammenarbeit von Mensch und Roboter fand bisher kaum bis gar nicht statt. In der Regel ist der „Kollege“ Roboter hinter einem Schutzzaun untergebracht, um die Werker nicht zu verletzten. Dieses Konzept sowie die notwendige Programmierarbeit machen die Prozesse wenig flexibel und beispielsweise kurzfristige Anpassungen zeitaufwendig und teuer.

Vom handgeführten Manipulator zum programmierbaren Industrieroboter

In Hochlohnländern wie Deutschland kommen schon länger Roboter in der Produktion zum Einsatz. Ihre Erscheinungsform ist dabei vielfältig. Als die klassischen Industrieroboter werden in der Regel Roboterarme angesehen, wie sie Kuka oder auch Fanuc im Angebot haben. Sie können Lasten bis zu mehreren Hundert Kilogramm oder Tonnen bewegen und die unterschiedlichsten Aufgaben übernehmen.

Mobile und vernetzte Transportroboter sorgen beispielsweise als rollende Plattformen für den Transfer von Materialien und Bauteilen zu ihrem jeweiligen Bestimmungspunkt. Mittels ihrer multimodalen Sensorik, bestehend aus Scanner, 3D-Kameras oder Ultraschall, können sie zuverlässig Hindernissen ausweichen und gemeinsam mit anderen mobilen robotischen oder auch menschlichen Kollegen in dynamischen Arbeitsumgebungen agieren. So finden Werkstücke ihren Weg direkt zum nächsten Arbeitsschritt, ohne eine ganze Fließbandstrecke durchlaufen zu müssen.

Leichtbauroboter kommen schon seit einiger Zeit auch in direkter Umgebung mit Menschen zum Einsatz. Doch die Art und Weise der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter wird teils unterschiedlich wahrgenommen.

Im Zuge des Zukunftskonzepts Industrie 4.0, welches im Grunde die Selbstorganisation der Produktion durch die Vernetzung über cyberphysische Systeme zum Ziel hat, müssen Fertigungsprozesse neu überdacht und gestaltet werden. Auf dem Weg zum individualisierten Produkt ist die Ablösung der getakteten Produktion am Fließband durch die modulare Montage, bei der Menschen und Roboter gefahrlos Hand in Hand zusammenarbeiten, ein nächster Schritt.

Definition der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter

Die Einsatzmöglichkeiten von Robotern in der Produktion sind vielfältig.

  • Bei der klassischen Roboterzelle ist der Roboter hinter einem Schutzzaun untergebracht. Diese Variante ist häufig bei Automobilherstellern zu finden.
  • Arbeiten ein Mensch und ein schutzzaunloser Roboter in einer Umgebung nebeneinander, spricht man in der Regel von einer Koexistenz von Mensch und Roboter. Eine Interaktion mit dem Werker findet jedoch nicht statt und es gibt keine Überschneidungen im Arbeitsraum. Auch diese Variante ist häufig in der Automobilindustrie zu sehen, beispielsweise an einer Montagelinie.
  • Zu einer Interaktion zwischen Mensch und Roboter kommt es erst bei einem synchronisierten Arbeitsablauf zwischen Roboter und Werker. Allerdings findet auch hier keine direkte Zusammenarbeit statt, sondern Mensch und Roboter teilen sich lediglich den Arbeitsraum, sprich: entweder bewegt sich der Mensch in einem definierten Bereich oder der Roboter. Ein Beispiel: Der Mensch arbeitet an einem Bauteil. Ist er fertig, stellt er es in einem definierten Arbeitsraum ab. Sobald er diesen Bereich verlässt, greift der Roboter das Bauteil und führt es beispielsweise dem nächsten Arbeitsschritt zu.
  • Eine Kooperation zwischen Mensch und Roboter findet statt, wenn beide gleichzeitig in einem definierten Arbeitsraum ihren Aufgaben nachgehen, jedoch nicht gleichzeitig an ein und demselben Objekt arbeiten.
  • Von Kollaboration wird erst gesprochen, wenn Werker und Roboter zur gleichen Zeit gemeinsam eine Aufgabe an demselben Bauteil durchführen. In diesem Szenario kann beispielsweise der Mensch dem Roboter und auch umgekehrt Bauteile reichen.

Anwendung und Kosten bestimmen die Art der Zusammenarbeit

Industriereife Robotersysteme bieten für die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter viele Potenziale. Entscheidend für Anwender ist das Wissen darüber, in welchem Anwendungsfall sich das Potenzial der jeweiligen Einsatzmöglichkeit eines Roboter optimal ausnutzen lässt. Beispielsweise haben ein gemeinsamer Arbeitsraum und die Interaktion sowie die dafür eventuell notwendigen Schutzmaßnahmen Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit einer Anwendung, die bereits bei Planung und Konzeption berücksichtigt werden müssen.

Denn am Ende steht immer eine Kosten-Nutzen-Rechnung: Soll die Schutzeinhausung eines vollautomatisierten Fertigungsprozesses zu Lasten von Produktivität und Geschwindigkeit entfernt werden, damit der Mensch näher an die Produktionslinie und mit einem Roboter gefahrlos in Interaktion treten kann?

Potenziale der Mensch-Roboter-Kollaboration

Seit mehreren Jahren wird die Mensch-Roboter-Kollaboration als das Zukunftsszenario in der Produktion gepriesen. Sie beschreibt die umittelbare Zusammenarbeit von Mensch und Roboter. Eine wichtige Aufgabe dabei ist, die richtige Organisation der Teamarbeit zwischen Mensch und Roboter zu finden, sodass menschliche und künstliche Intelligenz optimal zusammenwirken. Gegenstände zum richtigen Zeitpunkt anreichen und übergeben können Menschen sehr gut, da sie gleichzeitig eine holistische Vorstellung der Arbeitsergebnisse haben und den zeitlichen Ablauf der einzelnen Arbeitsschritte kennen. Roboter brauchen eine dynamische Fortschrittsplanung, um im konkreten Einzelfall das richtige Werkzeug zum richtigen Zeitpunkt mit der richtigen Geschwindigkeit und im richtigen Winkel anzureichen. Die dafür geeigneten Leichtbauroboter bringen zwar weniger Kraft auf als ihre industriellen Kollegen, sind aber mit ihrem humanoiden Ausweichverhalten qualifiziert, um tatsächlich Hand in Hand mit dem Werker zu arbeiten.

Robotikhersteller wie ABB, Universal Robots, Rethink Robotics und Kuka reagierten auf den Trend und entwickelten Roboter und zugehörige Peripherie, die den Sicherheitsanforderungen der MRK genügen. Als erster echt kollaborativer Zweiarmroboter gilt Yumi von ABB. Vorgestellt wurde er erstmals auf der Hannover Messe 2015 und begeisterte dort nicht nur Bundeskanzlerin Angela Merkel.

Des Hypes um MRK nahmen sich verschiedene Fraunhofer-Institute an und prüften das Potenzial der Mensch-Roboter-Kollaboration.

So untersucht eine Studie des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO aus dem Jahr 2016, ob die Verbreitung der kollaborativen Robotersysteme dem Medienhype entspricht. Im Rahmen der Studie fragten die Forscher Unternehmen, die Leichtbauroboter bereits im Produktionseinsatz haben, zu ihren Erfahrungen bezüglich des Einführungsprozesses, der Mitarbeiterakzeptanz der schutzzaunlosen Roboter sowie der Wirtschaftlichkeit der technischen Produktionshelfer. Als Kriterien für die Auswahl legten die Fraunhofer-Forscher fest, dass die Applikation im beziehungsweise kurz vor dem Serieneinsatz stehen musste und dass es sich in der Applikation um Roboter handelte, die bereits bei mehreren Unternehmen im Einsatz waren.

Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass es bisher kaum zu Mensch-Roboter-Kollaborationen in der Produktion kommt. Am verbreitetsten ist die Koexistenz zwischen Werker und Roboter; hier arbeiten die Roboter sehr zuverlässig. Und obwohl bisher kaum Mensch-Roboter-Kollaborationen in der Produktion zu finden sind, zeigt ein zentrales Ergebnis der Untersuchung, dass die neue Technologie wirklich funktioniert. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA untersuchten gezielt die wirtschaftlichen Potenziale der MRK. In einem Beitrag im Maschinenmarkt 11/2017 kamen sie zu dem Ergebnis, dass sich die Investitionen bei kollaborativen Applikationen im Vergleich zu einer Vollautomatisierung verschieben. Zwar falle der Aufwand beispielsweise für die automatisierte Teilelogistik weg, jedoch kämen gegebenenfalls zusätzliche Sicherheitssensoren dazu. Gleichzeitig bleibe mit dem Menschen ein Teil der laufenden Produktionskosten erhalten.

Der Meinung der Fraunhofer-Forscher nach rechnet sich MRK dann, wenn der Mehrwert der Anwendung zum Beispiel durch einen geringeren Flächenverbrauch nachweisbar sei, weil unter anderem eine Parallelisierung von Teilprozessen erreichbar ist. Dabei zeigt sich aktuell auch die größte Hürde bei der Realisierung wirtschaftlicher MRK-Systeme, denn Merkmale wie zum Beispiel erhöhte Ergonomie lassen sich für die Produktivitätsanforderungen kaum quantifizieren. MM

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