Arbeiten Sie noch oder kollaborieren Sie schon?

Das Projekt

Das Ziel des Verbundprojektes ist es, produzierende Unternehmen des Mittelstandes dabei zu unterstützen, innovative Systemlösungen zur Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) in der Montage zu entwickeln, prototypisch umzusetzen, unter Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten zu validieren und die Ergebnisse anderen potenziellen Nutzern zur Verfügung zu stellen.

Es werden Leitfäden erstellt, mit denen Montagearbeiten in KMU (kleine und mittlere Unternehmen) auf MRK-Eignung geprüft werden und im positiven Fall anschließend geplant, umgesetzt und in Betrieb genommen werden können. Daraufhin werden neue Lösungen für Steuerungskonzepte, Greifertechnik und Sicherheitstechnik (z.B. Arbeitsraum-Überwachung, Pupillenreaktion) entwickelt. Pilothafte Umsetzungen werden im Verlauf des Vorhabens in fünf ersten Anwendungsfällen unterschiedlicher Felder demonstriert.

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ (Förderkennzeichen 02P15A020- 02P15A029) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

Unsere Ziele

Das übergeordnete Ziel ist, produzierende Unternehmen des Mittelstandes dabei zu unterstützen, innovative Systemlösungen zur Montage zu entwickeln, prototypisch umzusetzen und unter Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten zu validieren. Dazu gehört außerdem die passende Information und Qualifikation der beteiligten Nutzer.

Objektübergreifende Mobilität

Die Schaffung einer parametrisierten Schnittstelle zur Objektsteuerung (Musterbeispiel: Industrieroboter) und Entwicklung einer objektübergreifenden hands-free-Lösung für die Einrichtung, Musterkontrolle und Abstimmung von Industrierobotern stellt das erste Entwicklungszahl dar. Dazu soll eine vorhandene Montagerobotersteuerung über parametrisierbare Schnittstellen für eine Gestensteuerung im Arbeitsumfeld komplexer, technischer Anlagen intelligent erweitert werden. Dabei muss die Nachverfolgung der Gesten schnell und sicher erfolgen. Eine solche Integration ist eine erste Form einer eigenen, kognitiven Intelligenz und kann in Folgeschritten anforderungsabhängig vertieft werden. Der Neuheitsgrad für die Gestensteuerung selbst besteht in seiner objektübergreifenden Mobilität und dem dafür notwendigen minimalen, technischen Aufwand, der eine nahezu uneingeschränkte Handlungsfähigkeit z.B. beim Einrichtebetrieb ermöglicht. Damit sind wesentliche Voraussetzungen für die Nutzung dieser Entwicklung gerade bei KMU gegeben.

Sicherheitskonzepte für kollaborierende Montagesysteme

Sicherheit ist eine grundlegende Voraussetzung bei der Arbeit an und mit Maschinen. Um ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten, kommen meistens redundante Systeme zum Einsatz, die das Risiko von verschiedenen Seiten eingrenzen. Für den vorliegenden Fall der MRK-Systeme wird daher versucht, einerseits den Roboter als Gefahrenquelle sicherer zu machen und andererseits den Menschen als fehleranfälligen Teil des MRK-Systems besser zu überwachen. Im Projekt werden dafür drei Entwicklungen vorangetrieben.

Das erste Teilsystem stellt eine optische Arbeitsraumüberwachung dar, welche durch die Time-of-flight Methode eine zuverlässige, günstige und systemunabhängige Lösung bietet. Weiterhin wird die Entwicklung sicherer Greifer verfolgt, welche z.B. beim Handling von Textilien zum Einsatz kommen. Die detaillierte Definition der zu entwickelnden Greifer ergibt sich aus den Lastenheften der Anwendungsfälle. Das letzte Teilsystem betrachtet den Menschen als „unzuverlässige“ Komponente des MRK-Systems. Unerwartete Ereignisse (z.B. laute Geräusche, Herunterfallen von Bauteilen, usw.) können zu spontanem Fehlverhalten und damit Kollisionen mit dem Roboter führen. Um dieses Risiko zu verringern, soll ein System entwickelt werden, welches die Pupillenreaktion überwacht. Da die sich die Pupille bei plötzlichen Ereignissen sprunghaft weitet, kann diese unwillkürliche Reaktion des menschlichen Auges als Notfall-/Abbruchsignal für den laufenden Prozess genutzt werden.

Ergonomische Konzepte für die Optimierung von Mensch-Maschine-Schnittstellen

Während die unmittelbare Arbeitssicherheit Grundvoraussetzung für die Arbeit mit MRK-Systemen ist, bringt erst eine gute Ergonomie auf Dauer eine hohe Akzeptanz, gesunde Mitarbeiter, geringere Fehlerhäufigkeiten und damit eine höhere Produktivität, die sich letztendlich in einen wirtschaftlichen Vorteil münzt. Das ergonomische Konzept und die enthaltenen Einzellösungen richten sich nach genau diesen Faktoren und beinhalten die Optimierung der Mensch-Maschine-Schnittstellen (Steuerung, Bedienelemente, Werkzeugwechsel, etc.). Neben der Entwicklung von Systemlösungen sieht das Projekt die wissenschaftliche Untersuchung der spezifischen Belastungen vor.

In die ergonomischen Betrachtungen müssen dabei neben physiologischen Aspekten auch Themen wie die Repetitionsrate, die Komplexität, die Überschaubarkeit sowie die Lernförderlichkeit von Aufgaben einfließen. Dies geht über herkömmliche Bewertungsinstrumente hinaus. Nicht zuletzt sind auch Effekte, die sich ggf. durch das barrierefreie nicht nur Nebeneinander, sondern Miteinander von Mensch und Roboter, ergeben, zu beachten. Als technische Lösung zur prospektiven Validierung der Ergonomie, wird die Weiterentwicklung des am ICM vorhandenen modularen Mock-Up Systems angestrebt, welches auf Basis von Motion Capturing und einem digitalen Menschmodell eine detaillierte ergonomische Analyse und Planung zukünftiger MRK-Systeme erlaubt.

Handlungsempfehlungen und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Es wird eine methodisch fundierte Studie durchgeführt, welche die Wirtschaftlichkeit und den Nutzen kollaborierender Montagesysteme für KMU in Deutschland aufzeigt. Aus den Ergebnissen werden Handlungsempfehlungen abgeleitet, die Unternehmen bei der Implementierung kollaborierender Montagesysteme unterstützen sollen. Darüber hinaus dienen die Ergebnisse den roboterproduzierenden Unternehmen als wissenschaftlicher Beleg für die Produktivitätssteigerungen, welche durch deren Technologie ermöglicht wird. Die Einschätzung der Potenziale und Risiken der kollaborativen Montage von Mensch und Maschine erfolgt induktiv und gliedert sich in die drei Ebenen Betrieb, Branche und Volkswirtschaft.

Als konkrete Entwicklungsleistung ist vorstellbar, den Unternehmen eine methodische Unterstützung (inkl. Tool) an die Hand zu geben, welches die Wirtschaftlichkeit von MRK-Lösungen bewerten hilft. Der Neuheitsgrad eines solchen Ergebnisses liegt vor allem darin, dass, anders als bei herkömmlichen Bewertungsverfahren, explizit Stückzahlflexibilität und verschiedene Produktvarianten einbezogen werden. Diese haben Einfluss auf das Ausmaß der MRK, welche entsprechend den Eingangsparametern flexibel angepasst wird.

IT-Planung und Entscheidungshilfen für MRK Systeme

Softwaresysteme bilden die Schnittstelle zwischen Mensch und Roboter, sei es zur Programmierung und Steuerung oder bei der Planung und Gestaltung von Produkten und Prozessen. Es werden Auswahlverfahren entwickelt, welche KMU dabei helfen die richtige Software für ihren Anwendungsfall zu finden. Außerdem werden fehlende Schnittstellen zwischen Hard- und Softwarekomponenten entwickelt, um eine lückenlose System-Integration zu gewährleisten. Die besondere Entwicklungsleistung besteht hierbei darin, dass im Bereich der Planung und Simulation die MRK parallele Prozesse erfordert – eine Anforderung, der nur wenige Systeme, die häufig ereignisorientiert arbeiten, gerecht werden können.

Für die Auswahlmethodik wird daher ein generisches Kategoriensystem für Aufgaben der MRK entwickelt und validiert, aus dem sich dann – je nach Aufgabenprofil – Anforderungen an eine Software ableiten lassen. Gemeinsam mit verschiedenen Unterstützungs-/Nutzungsprofilen der Softwareprogramme ergibt sich damit ein durchaus komplexes Entscheidungsproblem, welches in geeigneter Weise (bspw. Algorithmen, Heuristiken o.ä.) unterstützt werden soll. Die besondere Herausforderung der Schnittstellen, welche forschungsseitig zu lösen ist, liegt darin, dass keine Lösungen entwickelt werden, die lediglich zwei verschiedene Komponenten verbinden, sondern dass generische Schnittstellenkonzepte entstehen, welche flexibel und wiederkehrend durch eine Vielzahl von Komponenten nutzbar sind. Eine Orientierung an gängigen Standards ist dabei unabdingbar.

Schulungs- und Anwendungszentrum (SchAz)

Das geplante Schulungs- und Anwendungszentrum (SchAz) am ICM soll der nachhaltigen Vermittlung und Förderung von kollaborativen Arbeitssystemen aus Mensch und Roboter dienen. Das SchAz übernimmt dabei Funktionen der Information, Qualifikation und der Erprobung von Beispiellösungen. Zum Gesamtsystem des SchAz gehören neben der Hardware, Software und Infrastruktur, auch die Didaktik für Qualifizierungs- und Informationsmaßnahmen sowie die Verbreitung der Angebote.

Es sollen zunächst drei Demonstrationsfelder entstehen, an denen unterschiedliche Anwendungsfälle gezeigt, erprobt und trainiert werden können. Die Demonstrationsfelder enthalten komplette Systeme für die Planung, Steuerung und Nutzung der installierten MRK-Systeme. In einem Technologiebereich können wiederum verschiedenste Technologien (Sensorik, Greifer, Gestensteuerung) aufbereitet werden und in Kombination mit dem Demonstrationsfeld veranschaulicht werden. Die Hardware wird mindestens aus einem Leichtbauroboter (z.B. Universal Robots UR10), einem Gelenkroboter für höhere Lasten oder einem Portalroboter, den dazugehörigen Steuerungen (inkl. Sicherheits-Features) sowie den entsprechenden Control Panel (Programmierung und Teaching) bestehen. Abgerundet wird das Zentrum durch einen Informationsbereich, in dem fortlaufend neue technologische Lösungen präsentiert werden, um Interessierten die Möglichkeiten zu geben sich über aktuelle Trends und Lösungen zu Informieren. Softwaresysteme sind die eigentliche Schnittstelle des Menschen zum Roboter und ermöglichen mittlerweile eine intuitive Simulation, Programmierung und damit Umsetzung unterschiedlichster Anwendungsfälle. Verschiedene Softwaresysteme (Simulationswerkzeuge, Roboter-Programmierung u.ä.) werden im SchAz vorgestellt und vermittelt.

Das Schulungs- und Anwendungszentrum kann nur funktionieren, wenn neben den oben beschriebenen Bedingungen auch entsprechend hochwertige und sinnvolle Informations- und Qualifizierungsmaßnahmen angeboten werden. In verschiedenen Formaten (z.B. Hausmessen, Thementage) wird das Thema Mensch-Roboter-Kollaboration breitenwirksam präsentiert, Interesse geweckt und erste Potenziale aufgezeigt. In nachfolgenden Technologie-Erprobungen und Workshops in den Demonstrationsfeldern werden Knowhow vermittelt und Hemmschwellen abgebaut. Schulungen durch Experten und konkrete Anwender-Workshops qualifizieren die Mitarbeiter für den produktiven Einsatz im eigenen Unternehmen. Ein detailliertes Schulungskonzept wird im Rahmen der ersten Projektphase ausgearbeitet. Dort wird ebenfalls entschieden, inwieweit Online-Werkzeuge bei der Information und Qualifikation eingesetzt werden sollen.

Anwendungsfälle

Der Kreis der zu erzielenden Ergebnisse schließt sich mit den fünf geplanten Umsetzungen, in denen technische Lösungen und Qualifizierungsmaßnahmen zusammenfinden und in der Einführung neuer MRK-Systeme in fünf regionalen KMU münden. Auf diese Weise soll bei den KMU ein Technologiesprung erzielt werden. Die geplanten Anwendungsfälle stammen aus den Branchen Elektronikfertigung, Gerätebau, Textilindustrie, Automotive sowie Wärmebehandlung und decken damit ein breites Spektrum unterschiedlicher Voraussetzungen und Zielstellungen ab.

Die Partner

Kontakt

Projektkoordinator
Dr.-Ing. Ulrich Bobe
ICM - Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e.V.
Otto-Schmerbach-Str. 19
09117 Chemnitz

Email:
Telefon: +49 (0)371/27836-155
Fax: +49 (0)371/27836-104
Internet: www.icm-chemnitz.de