Handbuch Mensch-Roboter-Kollaboration

In seinen Anfängen in den 1970er Jahren stand der Begriff Roboter für massige, hydraulisch betriebene Maschinen, die in Produktionsanlagen schwere Tätigkeiten verrichteten. Die schweren Maschinen konnten große Massen mit hoher Geschwindigkeit bewegen und hoben sich von Anfang an durch ihre universelle Einsetzbarkeit von den bis dahin bekannten Fertigungsmaschinen ab (Fryman, Matthias 2012). In den 1990er Jahren hatte sich der Industrieroboter in der Produktion als klassisches Arbeitsmittel verbreitet und obwohl für das Robotersystem aus damaliger Sicht viele seiner heutigen Einsatzgebiete und Anwendungen noch undenkbar waren, wurde seine Entwicklung schon damals als eine Revolution im industriellen Zeitalter gefeiert (Schraft 2003).

Das Kapitel Hardwareseitige MRK-Systemgestaltung gliedert sich in fünf Unterkapitel. Beginnend mit dem ersten Unterkapitel werden Grundlagen konventioneller Industrieroboter in den Bereichen mechanischer Aufbau, Sicherheitstechnik und Programmierung vermittelt. In dem darauffolgenden Unterkapitel werden die unterschiedlichen Kollaborationsszenarien sowie mit konventionellen Industrierobotern umsetzbare Kollaborationsarten und die dazu erforderliche Sicherheitstechnik beschrieben. Das dritte Unterkapitel widmet sich den dedizierten MRK-Robotern und ihren Anwendungsbereichen in der Produktion. Ebenfalls wird auf die biomechanischen Grenzen des Menschen und die Besonderheiten bei der Programmierung von kollaborationsfähigen Robotern eingegangen. Im vierten Unterkapitel wird eine Auswahl am Markt erhältlicher Roboterperipherie vorgestellt und in diesem Zusammenhang die Besonderheiten von kollaborationsfähigen Greifersystemen aufgezeigt. Den Abschluss bildet eine Sammlung weiterführender Fachbücher und der relevanten Normen.

Eine grundlegende Voraussetzung zur Realisierung von MRK-Systemen stellt der Einsatz geeigneter Sensortechnik dar. Wie in herkömmlichen Produktionssystemen dienen Sensoren zur Automatisierung von Fertigungsschritten wie beispielsweise durch Abstandsmessungen oder Anwesenheitskontrollen von Bauteilen. Im Kontext der Mensch-Roboter-Kooperation spielen Sensoren zusätzlich eine wesentliche Rolle zur Realisierung sicherer Systeme.

Steuerungen bestimmen das Verhalten von industriellen Anlagen, Maschinen und Robotern. Basierend auf dem aktuellen Zustand der Anlage (erfasst durch Sensoren) ist die Steuerung der Teil, der die nächsten durchzuführenden Aktionen in der Anlage anfordert, wie in Bild 4.1 dargestellt. Das erwartete Verhalten der Anlage ist in Form eines Anwendungsprogrammes kodiert, welches in dedizierten Entwicklungsumgebungen entwickelt und auf die Steuerung geladen wird. Auf der Steuerung sorgt die von den Steuerungsherstellern entwickelte Firmware dafür, dass das Anwendungsprogramm ausgeführt wird. Die Konzipierung und Realisierung von Steuerungen und Steuerungsarchitekturen sind die Themen, mit denen sich die Steuerungstechnik auseinandersetzt.

Heutzutage werden Robotersysteme größtenteils in industriellen Umgebungen wie beispielsweise der Automobilindustrie, der Elektroindustrie oder dem Maschinenbau verwendet (IFR 2016). Diese klassischen Robotersysteme sind darauf ausgerichtet, einige spezielle Aufgaben mit maximalem Durchsatz durchzuführen. Die auszuführenden Aufgaben werden durch einen Experten im Vorfeld programmiert und nach Abschluss der Programmierung selbständig durch das Robotersystem ausgeführt.

Der breite Einsatz von Robotern und weiteren Automatisierungskomponenten in der Produktions-, Montage- und Bearbeitungstechnik wird durch verschiedene Hemmnisse erschwert, wobei die aufwendige Programmierung mit zeit- und kostenintensiven Stillstandszeiten des Produktionssystems ein entscheidender Nachteil ist.

Die Einführung von MRK-Prozessen wird meist durch die technischen Möglichkeiten zur Automatisierung getragen, indem Tätigkeiten, die bisher vorwiegend manuell ausgeführt werden, automatisiert werden. Die Einbindung des Menschen, der mit dem System im Produktionsumfeld interagiert, ist sehr wichtig, da der Erfolg einer MRK-Anwendung stark von ihm abhängt. Nur eine wechselseitige Betrachtung von Mensch, Technik und Organisation führt zu einem langfristigen Erfolg der geplanten Maßnahme (Bild 7.1). Der Fokus dieses Kapitels liegt daher auf einer Einführungsstrategie, welche neben den technischen Anforderungen auch die Hemmnisse des Menschen gegenüber Veränderungen berücksichtigt und die Akzeptanz durch frühzeitige und aktive Einbindung sowie Aufklärung steigert.

Die Automobilindustrie hat, insbesondere in der Montagelinie, großes Interesse am Einsatz der Mensch-Roboter-Kooperation1. Hier bietet eine angepasste Automation mit einer fähigkeitsbasierten Aufgabenteilung zwischen Mensch und Roboter deutliche Vorteile im Vergleich zu einer Vollautomation. Die Gründe hierfür sind die hohe Variantenvielfalt und Komplexität der Montageprozesse. Innerhalb dieses Kapitels werden zunächst die Rahmenbedingungen und Anforderungen zur Nutzung der MRK in der Automobilindustrie dargestellt. Hierzu werden eine Übersicht der Teilbereiche der Produktion und die Nutzung der Robotik innerhalb dieser Bereiche gezeigt. Im Anschluss werden die Anforderungen an die MRK aus Sicht des Produktes, der Planung, der Sicherheitstechnik und der Produktion abgeleitet und Lösungsansätze dargestellt. Hierzu werden zunächst die MRK-Einsatzbereiche in der Automobilindustrie gezeigt und anschließend eine Systematik zur Implementierung beschrieben. Danach erfolgt die Illustrierung von Beispielen umgesetzter Applikationen.

Das Bestreben nach einem weitreichenderen Einsatz von robotischen Systemen jenseits von industriellen Anwendungen hat die Suche nach neuen Lösungsansätzen auf diesem Gebiet in den letzten Jahren verstärkt in den Fokus von Wissenschaft und Gesellschaft gerückt. Längst sollen Roboter den Menschen nicht mehr nur bei der Verrichtung schwerer und monotoner Arbeiten in der Produktion entlasten; so zeichnet sich schon seit einiger Zeit eine Trendwende dahingehend ab, dass vermehrt auch einfach auszuführende Dienstleistungstätigkeiten von intelligenten robotischen Systemen übernommen werden können und sollen. Bislang jedoch haben, neben rechtlichen Gesichtspunkten, vor allem die Faktoren „Sicherheit“ und „Zuverlässigkeit“ einer weiteren Durchdringung des alltäglichen Lebens mit Robotern Einhalt geboten. Doch Bemühungen mit der Robotik in bisher wenig erschlossene Gebiete vorzudringen und Nischen durch Schaffung von neuen Anwendungsfeldern zu besetzen, haben gleichzeitig zur Entstehung von neuartigen Lösungsansätzen und, damit einhergehend, zu einem veränderten Verständnis dessen, was gemeinhin als robotisches System verstanden wird, geführt.