Mehrmaschinenbedienung unter Einsatz mobiler kollaborativer Roboter

Peter Saile und Andreas Mazura, Hochschule Pforzheim

Als Ergebnis ihrer gemeinsamen Forschungsaktivitäten berichten die Autoren über das Potenzial von kollaborativen Robotern in produzierenden Unternehmen. Die Betrachtung der Arbeitssicherheit stellt dabei einen wesentlichen Aspekt bei der Auslegung der Arbeitssysteme dar. Innovative Konzepte mit mobilen kollaborativen Robotern eröffnen seit kurzem eine neue Dimension der Mensch-Maschinen-Kooperation. Eine exemplarische Aufführung einzelner industrieller Umsetzungen unterstreicht den Stand der Technik sowie das Potenzial der Technologie.

Wettbewerbsfaktor Flexibilität

Die Produktlebenszyklen in der industriellen Produktion werden seit Jahren immer kürzer; somit erhöhen sich stetig die Anforderungen an die Flexibilität von Produktionsanlagen. Während bei Stückzahlen von mehreren Millionen Erzeugnissen einer Baureihe die Hochautomatisierung durchaus wirtschaftliche Lösungen ermöglicht, muss bisher bei kleineren und mittleren Stückzahlen die Wertschöpfung mehr oder minder vollständig manuell erbracht werden. Hohe Lohnkostenanteile generieren regelmäßig einen Abwanderungsdruck in Niedriglohnländer. Gelungene Optimierungen aus dem Bereich der Lean Production können in enger Kooperation zwischen Produktionsingenieur und Werker durchaus Verschwendungen in den Abläufen eliminieren. Beispielhaft sei hier die Mehrmaschinenbedienung genannt, bei der die Wartezeiten der Mitarbeiter durch geeignete Anordnung der Betriebsmittel reduziert werden. Diese Ansätze sind jedoch in direkter Weise auch auf Niedriglohnländer übertragbar, womit auf Dauer kein Wettbewerbsvorteil am Standort Deutschland abzuleiten ist. 


Mensch-Maschine-Kooperation

Industrieroboter gelten bereits seit längerem als eine Möglichkeit, die Aspekte der Automatisierung mit dem Wunsch nach Flexibilität zu vereinen. Auf den schnellen Blick bedarf es nur einer Anpassung der Greifer sowie einer Umprogrammierung, um eine neue Arbeitsaufgabe zu erledigen. In der Praxis zeigt sich jedoch häufig, dass die erforderliche Infrastruktur, wie Schutzumhausung und Kommunikation mit der Anlagenperipherie, die Wandlungsfähigkeit dieser Systeme stark limitiert. Skalierbare Ansätze, wie sie idealerweise vor dem Hintergrund schwankender Absatzzahlen gefordert sind, lassen sich mit konventionellen Automatisierungsansätzen nur bedingt realisieren.

Bild 1: Konzept einer hybriden Mehrmaschinenbedienung
mit mobilen kollaborativen Robotern [1].

Hier scheint sich jetzt mit der neuen Generation kollaborativer Roboter ein Durchbruch abzuzeichnen. Fast sämtliche namhaften Roboterhersteller sowie einige Newcomer bieten mittlerweile Systeme am Markt an, die durch Messung der Kräfte einzelner Achsen oder durch zusätzliche taktile bzw. berührungslose Sensoren Kollisionen erkennen und zum Schutz vor Verletzungen rechtzeitig die Geschwindigkeit reduzieren. Im Idealfall ergibt sich hierdurch die Möglichkeit, gänzlich auf eine mechanische Schutzumhausung zu verzichten und hybride Anlagenkonzepte, bei denen Mensch und Roboter einen gemeinsamen Arbeitsraum teilen, zu realisieren. In diesem Fall spricht man von einer Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) ohne trennende Schutzeinrichtung. Steht die Interaktion zwischen Mensch und Roboter im Vordergrund, so spricht man von kollaborativen Systemen. Einige als kollaborativ angebotene Roboter sind bereits durch die Berufsgenossenschaft (BG) zertifiziert, was neben den bereits vom Hersteller durchgeführten Risikoanalysen einen weiteren Garanten darstellt. Unter Berücksichtigung der damit realisierbaren Anlagenkonzepte verschiebt sich der wirtschaftliche Einsatz von Robotern weiter in den Bereich niedriger Stückzahlen, wobei die der Maschine zugeschriebenen Eigenschaften der hohen Präzision und Wiederholgenauigkeit bestehen bleiben.


Mobile kollaborative Roboter

Auf der Hannover Messe 2015 zeigten einige Hersteller [2-4] kollaborative Roboter auf mobilen fahrerlosen Transportsystemen (FTS), wodurch sich komplett neue Einsatzfelder erschließen lassen. Die Vorstellung von Arbeitsinseln, in denen mobile Roboter und Menschen gemeinsam die Zuführung von Komponenten, den Fügevorgang und den Transfer von Station zu Station übernehmen, scheint in greifbare Nähe gerückt. Automatisierte Montagekapazitäten könnten somit flexibel zwischen einzelnen Zellen verschoben werden. Der Werker behält die Aufsicht über das System und ist zur Störungsbeseitigung schnell zur Stelle. Leistungsbeeinträchtigungen, die vor allem bei älteren Werkern auftreten können, werden durch gezielte Verlagerung von Tätigkeiten auf den Roboter abgefangen, sodass der Mitarbeiter einen größeren Fokus auf die ihm eigenen Stärken der Erfahrung, Flexibilität und Kontrolle erhält. 

In einem aktuell laufenden Projekt mit der Firma Mahle Behr GmbH & Co. KG wird derzeit analysiert, welche Potenziale der Einsatz mobiler MRK-Systeme beim Transfer von Baugruppen zwischen einzelnen Bearbeitungsstationen sowie bei der anschließenden Montage einfacher Komponenten wie Schrauben oder Drehteilen aufweist. Der Roboter wird hierbei als Ergänzung und Entlastung des Mitarbeiters gesehen. Kompliziertere Fügevorgänge, die Bereitstellung von Einzelteilen oder eine eventuelle Störungsbeseitigung bleiben in der Hoheit des Werkers.

Als geringste Hürde ist hierbei die Programmierung dieser Systeme zu sehen. Seit einiger Zeit ist ein starker Trend hin zu graphischen Benutzeroberflächen in der Roboterindustrie zu erkennen. Eine Programmerstellung, angelehnt an die intuitive Bedienung von Apps auf einem Smartphone, adressiert ganz neue Benutzergruppen. Eigene Erfahrungen mit einem stationären, kollaborativen Roboter der Fima Universal Robots (UR) im Laborbetrieb der Hochschule Pforzheim zeigen, dass ganze Jahrgänge von Studenten problemlos in einer 90-minütigen Übung ohne Vorkenntnisse eine umfangreiche Arbeitsaufgabe programmieren können. Unterstützt wird dies unter anderem durch übersichtlich dargestellte Befehlsassistenten für systematische, wiederkehrende Abläufe wie etwa der Palettierung von Komponenten. Dieser Vorteil ist durchaus auch bei konventionellen Robotern nutzbar. Durch den Entfall der Schutzzäune bei kollaborativen Robotern können erstellte Programme dort aber direkt in Realgeschwindigkeit getestet und aus nächster Nähe kontrolliert werden. Viele kollaborative Roboter sind zudem als Leichtbauroboter ausgeführt, was eine einfache Bewegung der Roboterarme zum Einlernen von Positionen begünstigt.


Der Faktor Sicherheit

Kritischer zu bewerten ist die Fragestellung der Personengefährdung, welche u. a. in der DIN EN ISO 10218 Teil 1 und Teil 2 geregelt wird. Als Reaktion auf die neu entwickelten Technologien sowie die Erfahrungen mit den ersten MRK-Systemen befindet sich zudem derzeit die technische Spezifikation ISO/TS 15066 in der Abstimmungsphase. Generell gilt, dass selbst bei einem von der BG für den kollaborativen Betrieb zertifizierten Roboter der Integrator das Gesamtsystem inkl. Greifer, Bauteil und Anlagenperipherie auf Basis der geltenden Normen und Richtlinien prüfen muss und eine entsprechende CE-Konformität nachzuweisen hat. Bezieht man sich hier auf die kraftüberwachenden Schutzeinrichtungen des Roboters, so gelten die lt. der deutschen gesetzlichen Unfallversicherung [5] empfohlenen Grenzwerte für zulässige Flächenpressung in Abhängigkeit der betrachteten Körperstellen. Besonders im Bereich Hals und Gesicht liegen die mit maximal 10 bzw. 20 N/cm² erlaubten Druck-Flächenpressungen in einem Bereich, der auch schon bei kleinen Kräften in Verbindung mit spitzen Gegenständen schnell erreicht werden kann. Dieser Sachverhalt erhält einen umso höheren Stellenwert angesichts der Tatsache, dass MRK-fähige Roboter nach einem Fremdkontakt üblicherweise selbsttätig nach kurzer Unterbrechung die ursprüngliche Trajektorie wieder aufnehmen. Kann man den Arbeitsbereich des Roboters durch sichere Maßnahmen auf geringere Höhen reduzieren, gelten die im Vergleich etwas höheren Grenzwerte für bspw. Brust oder Bauch.

Die Außenkonturen kollaborativer Roboter sind aufgrund dessen meist abgerundet und teilweise mit elastischen Verkleidungselementen versehen. Die geometrische Gestaltung der Gelenke wirkt einem Einklemmen von Körper-
extremitäten entgegen, kann aber gleichwohl ein Klemmen gegenüber weiteren Anlagenteilen nicht verhindern. Greifer und Bauteile besitzen diese gepolsterten Eigenschaften von Haus aus nicht, weshalb hier weitergehende Maßnahmen notwendig werden. Im Bereich der Blechverarbeitung mit den dort typischen Gefahren hoher Flächenpressungen im Kantenbereich hat sich bei der Daimler AG der Einsatz von Schutzhauben (Bild 2) über den Greifern in Prototypenanwendungen bereits bewährt. Diese Hauben reduzieren jedoch die Zugänglichkeit bei der Montage und stellen einen Sonderaufwand bei den Anschaffungskosten dar. 

 

Bild 2: Schutzhaube über dem Blechbauteil
zur Reduzierung der Flächenpressung bei kraftgesteuerten Robotern.

Fahrerlose Transportsysteme definieren typischerweise ein mittels Sensoren überwachtes Warnfeld in einem Abstand von ca. 1,5 m, bei dessen Störung durch eine Person das Fahrzeug die Geschwindigkeit auf ca. 1 km/h reduziert. Bei Annäherung einer Person auf ca. 0,8 m wird die Schutzfunktion aktiviert und das FTS bleibt stehen. Dieser Sachverhalt erfordert bei der Gestaltung hybrider Insellayouts großzügige Dimensionierungen und geht damit deutlich zu Lasten des Flächennutzungsgrads. Kurze Wege zwischen den Maschinen, wie sie für die manuelle Mehrmaschinenbedienung wünschenswert sind, stehen somit im Widerspruch zu den großzügigen Freizonen, wie sie ein ungestörter FTS-Ablauf erfordert. Generell führen versehentliche Annäherungen oder Berührungen zwischen mobilen Robotern und Werkern bzw. Robotern untereinander nicht nur zu einem Sicherheitsrisiko, sondern auch aufgrund der unbeabsichtigten Geschwindigkeitsreduzierungen zu Produktivitätseinbußen im Gesamtsystem.

Virtuelle MRK-Simulationen zeigen ein signifikant höheres Angstempfinden bei geringerer Nähe zwischen Mensch und Roboter [6]. Unter Berücksichtigung der humanitären Aspekte sollte bereits aus diesem Grund räumlich großzügiger geplant werden.

Fahrerlose Transportsysteme erreichen typischerweise eine Positioniergenauigkeit von 10 mm. Dies mag für die Anlieferung von Teilebehältern im Kanbanregal ausreichen, nicht aber für die geforderte Präzision im Bereich 1/10 mm bei der Teilemontage. Dementsprechend müssen sich mobile Roboteranwendungen in der Station indexieren, was entweder über Bildverarbeitung oder taktil am Werkstück erfolgen kann.


Überlegungen zur Wirtschaftlichkeit

Beleuchtet man die Wirtschaftlichkeit mobiler kollaborativer Roboter, so stehen insbesondere die Investitionskosten und die erreichbaren Taktzeiten im Zentrum der Diskussion. Die reinen Anschaffungskosten liegen in der Größenordnung von ca. 200.000 € pro System [7], ohne Berücksichtigung der Adaptionskosten und des erforderlichen Engineering. Als realistische Transportgeschwindigkeit von Station zu Station geben die Hersteller ca. 3 km/h an, wobei die Andockbewegung in der Station aufgrund der Quetschgefahren stark zeitverzögert abläuft. Die derzeitig erhältlichen Systeme erlauben eine Roboterbewegung erst nach einem kompletten Stopp des FTS. Ein nach MTM-Normwerten [8] bewertetes Gehen des Menschen mit leichten Bauteilen in der Hand liegt demgegenüber bei 5,6 km/h, womit hier deutliche Performanceunterschiede vorliegen. Der Mensch kann darüber hinaus parallel zum Gehen bereits eine Hinlangbewegung mit den Händen einleiten. Die am Werkstück erzielbare Robotergeschwindigkeit liegt bei einem idealisierten Werkstück mit runden Konturen und einer kraftüberwachten Arbeitsweise im Bereich von 250-500 mm/s [9]. Dies ist deutlich langsamer als eine Bewegung des Menschen, welcher bei einer Bewertung nach MTM bei vergleichbaren Hinlang- und Bringbewegungen ca. 700 mm/s erreicht. Kollaborative Roboter können anstelle der Kraftüberwachung auch mit externer sensorischer Bereichsüberwachung arbeiten und erreichen dabei Geschwindigkeiten von mehr als 2 m/s [10]. Hierbei gilt es allerdings zu beachten, dass die notwendige Berücksichtigung der Nachlaufzeit der Roboter nach einer erkannten Eindringung in die Schutzzone einen Freiraum von ungefähr 2 m notwendig macht und somit die Flächenlayouts erheblich aufgebläht werden.

Ein weiterer interessanter Sachverhalt liegt in der Fragestellung begründet, ob sich die Produktivität des Werkers in hybriden Systemen verändert. Untersuchungen auf Basis einer virtuellen Mensch-Maschinen-Kollaboration [6] zeigten hier tendenziell eine Korrelation zwischen der Verfahrgeschwindigkeit des Roboters und der menschlichen Performance. Ob sich ein Werker, welcher von relativ langsam arbeitenden Robotern umgeben ist, in seiner Arbeitsgeschwindigkeit anpasst, muss jedoch erst noch durch weitere empirische Studien im industriellen Umfeld geklärt werden.

Das wirtschaftliche Optimum mobiler kollaborativer Konzepte bewegt sich somit im Spannungsfeld zwischen langsamen Bewegungen der Maschinen, großzügig dimensionierten Insellayouts und zusätzlichen Aufwendungen für weitere Sicherheitstechnik zur Erzielung von Geschwindigkeiten außerhalb des kollaborativen Modus. Eine exakte Bewertung kann nur unter Berücksichtigung des konkreten Anwendungsfalls erfolgen. Aus heutiger Sicht werden erste wirtschaftliche Umsetzungen nur im Mehrschichtbetrieb oder in Nischenanwendungen darstellbar sein. Zieht man die Prämisse in Betracht, dass eine weiterentwickelte Sensortechnik [10] zukünftig eine präzisere Überwachung potenzieller Kollisionen zwischen Werker und Roboter ermöglicht, steht einer breiten Einführung der Technik nichts im Wege.
 

 

 

Schlüsselwörter:

Kollaborative Robotik, Mensch-Roboter Kollaboration, MRK, Mobile kollaborative Roboter, Mehrmaschinenbedienung mit mobilen kollaborativen Robotern, Mehrstellenarbeit mit mobilen kollaborativen Robotern

Literatur:

[1] Regner, D.; Waidner, D.; Geörg, D.: Projektarbeit Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen, Fach Medieninformatik, Wintersemester 2014/2015.
[2] KUKA Omnirob Plattform. URL: http://www.kuka-labs.com/de/service_robotics/mobile_robotics/omniRob/, Abrufdatum 21.05.2015.
[3] Mobiler Roboter. URL: http://www.henkel-roth.com/referenzen/technologischesverfahren/handhabun..., Abrufdatum 21.5.2015.
[4] MIR-Mobile Industrial Robots. URL: http://mobile-industrial-robots.com/de, Abrufdatum 21.05.2015.
[5] Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung, BG/BGIA-Empfehlungen für die Gefährdungsbeurteilung nach Maschinenrichtlinie, URL: http://www.dguv.de/bgia, Abrufdatum 21.05.2015.
[6] Naber, B.; Lungfiel, A.; Nickel, P.; Huelke, M.: Human Factors zu Robotergeschwindigkeit und -distanz in der virtuellen Mensch-Roboter-Kollaboration In: GfA (Hrsg) 2013, Chancen durch Arbeits-, Produkt- und Systemgestaltung, GfA Press, S. 421-424.
[7] Richtpreise der Firmen henkel-roth (www.henkel-roth.com) und KUKA (www.kuka-robotics.com) eingeholt im Mai 2015 durch die Hochschule Pforzheim, Prof. Dr. Saile.
[8] MTM1-Lehrgangsunterlagen, Deutsche MTM-Vereinigung e.V., 2014, S. 41-58 und S. 225-227.
[9] URL: http://www.bosch-apas.com/media/apas/microsite_apas/2014_apasassistant_de, Abrufdatum 18.07.2015.
[10] Ostermann, B.: Entwicklung eines Konzepts zur sicheren Personenerfassung als Schutzeinrichtung an kollaborierenden Robotern. Dissertation, Universität Wuppertal 2014.