Roboter und Mensch reichen sich die HandWie wird die Zusammenarbeit mit Robotern künftig funktionieren? | BahadirTanriover
TechnikMensch-Roboter-Kollaboration in KMU

Hand in Hand mit Kollege Roboter

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Hans-Jörg Munke

Hans-Jörg Munke

freier Journalist

Erfolgreiche Teamarbeit braucht gegenseitiges Verständnis. Das gilt auch für das Miteinander zwischen Mensch und Roboter. Doch der Weg dahin ist von zahlreichen technischen Herausforderungen geprägt.

19. Oktober 2017

In Großproduktionsanlagen sind Roboter bislang meist eingezäunt, um Unfälle zu vermeiden. Sobald jemand in den Bereich hineingreift, schaltet die Maschine auf Not-Aus. „Wenn man aber den gesamten Arbeitsbereich einer Maschine abzäunen muss, verbraucht das ziemlich viel Platz“, sagt Max Pfingsthorn, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter im Oldenburger Informatikinstitut OFFIS. „Und den gibt es gerade in kleineren Unternehmen nicht.“ Aber es gibt moderne Technologien. Und diese erlaube es, neue Lösungswege zu entwickeln, um die Kollaboration von Mensch und Roboter sicherer zu machen. Ganz ohne Zaun. Und genau daran arbeiten Pfingsthorn und seine Kollegen im Rahmen des Forschungsprojekts IKIMUNI (IKT Kompetenz in Industrie 4.0 für kleinere und mittelständische Unternehmen (KMU) in Niedersachsen), das kleinen und mittleren Betrieben bei der Umsetzung von Industrie 4.0- Strategien helfen soll.

Kollisionserkennung als erster Schritt

„Um Menschen und Roboter ohne Absperrung zusammenarbeiten zu lassen, braucht man eine Kollisionserkennung, die schnell und zuverlässig reagiert“, erklärt Pfingsthorn. Diese Technik sei bei kleineren Robotern der neusten Generation mittlerweile integriert. Die Maschinen können schon geringe Kräfte detektieren und darauf reagieren. „Eigentlich ist es dann aber schon zu spät“, sagt der Projektleiter. Denn gerade bei großen und schnellen Robotern sei die Reaktionszeit zu lang, um mit dieser Methode Unfälle gänzlich zu vermeiden. Für wirkliche Sicherheit müsse man die Bewegung des Menschen in Echtzeit erfassen und es dem Roboter so ermöglichen, frühzeitiger zu reagieren.

Bewegungen der menschlichen Kollegen werden erfasst

Pfingsthorn umreißt die zentrale Herausforderung: „Wenn ich meinen Arm in den Laufweg des Roboters halte, muss die Maschine ihren Weg neu berechnen und dem Arm ausweichen. Daraus ergibt sich dann vielleicht ein etwas längerer Weg, aber der Stillstand wird vermieden.“ Um das zu realisieren, verwenden Pfingsthorn und seine Kollegen einen Arbeitsoverall mit Sensoren für Beschleunigung und Rotationsgeschwindigkeit in jedem Körpersegment. Darüber lässt sich die Körperhaltung des Trägers metrisch erfassen und logisch in Bewegungsabläufe klassifizieren.

Im ersten Schritt wird die Technik die Mensch-Roboter-Kollaboration sicherer machen. In Zukunft soll sie diese darüber hinaus aber auch verbessern. „Reicht ein Roboter seinem menschlichen Kollegen Teile zur Montage an, so sollte er nicht nur dessen Haltung und Position erkennen, sondern auch, was der Mensch gerade tut und was er im nächsten Schritt vorhat. Aus diesen Informationen kann der Roboter dann ableiten, welches Teil oder welches Werkzeug er als nächstes bereithalten muss“, erläutert Frank Oppenheimer, Bereichsleiter für Industrie 4.0 im OFFIS.

Testfall Herstellung von Architekturmodellen

Um diesen Ansatz in der Praxis zu testen, planen Oppenheimer und seine Kollegen eine Anlage zur Produktion maßstabsgerechter Modellhäuser für Architekten in Kleinstauflagen. „Der menschliche Mitarbeiter muss sich ohne technische Unterstützung immer wieder auf neue Bauteile und Anleitungen einstellen“, so Oppenheimer. „Wenn er aber Hilfe durch einen Roboter erhält, der weiß, welches Teil als nächstes angebaut werden muss, und ihm dieses anreicht, ist das eine deutliche Entlastung. So kann sich der Mensch voll und ganz auf die eigentliche Montage konzentrieren.“

Damit der Roboter derart hilfreich agieren kann, muss er den Bauplan und die vom Menschen durchzuführenden Arbeitsschritte genau kennen. Auf einem Zeitstrahl sind zudem die dazugehörigen menschlichen Bewegungsabläufe definiert. Diese gleicht der Roboter mit den vom Anzug übermittelten Daten ab und kann die tatsächlichen Bewegungen über eine datenbankbasierte Gestenerkennung identifizieren.

So kann der Roboter den aktuellen Status im Herstellungsprozess exakt ermitteln und daraus den zu erwartenden nächsten Schritt ableiten. Anders gesagt: Er kann vorausschauend agieren. Wenn beispielsweise die linke Hand eine Wand aufbaut und die rechte etwas dagegen drückt, erkennt der Roboter, dass etwas zusammengefügt wurde. Er erwartet daher, dass der Mensch im nächsten Schritt das Dach entgegennehmen möchte und stellt dieses bereit.

Ein weiteres mögliches Einsatzfeld für diese Technologie ist die computergestützte Qualitätssicherung. Anhand der Daten aus dem Sensoranzug ließe sich etwa im Zuge einer Montage feststellen, ob und wie viele Schrauben bereits angezogen wurden.

Vorhandene Technologien intelligent vernetzen

Die Elektronik für den Sensoranzug ist nicht neu. Es gibt sie bereits seit einigen Jahren. Bislang wurden die Daten bei anderen Projekten allerdings nur aufgezeichnet und hinterher evaluiert – etwa um die Belastung von Werftarbeitern oder Rettungsassistenten zu erkennen. „Jetzt gilt es, die Daten in Echtzeit zu verarbeiten und die Lokalisierung des Mitarbeiters in einem Raum zu ermöglichen“, so Max Pfingsthorn.

Diese Informationen sollen dann auch Roboterarme intelligenter machen. „Bisher verwenden Industrieroboter starre Programme. Zukünftig müssen auch dynamische Aspekte in der Programmierung berücksichtigt werden. Dazu braucht man eine Software, die kollisionsfreie Wege um bewegliche Hindernisse herum plant – quasi Google Maps in 3D“, so Pfingsthorn weiter. Der Arm dürfe dabei aber weder mit sich selbst, noch mit anderen Produktionsanlagen oder dem Menschen kollidieren.

Mensch muss lernen, der Technik zu vertrauen

Neben den Robotern sind aber auch die menschlichen Mitarbeiter gefordert. Oppenheimer bringt es auf den Punkt: „Man muss den Menschen beibringen, Robotern zu vertrauen. Wenn man selber auszuweichen versucht und der Roboter versucht das ebenso, wird es gefährlich und es gibt es am Ende doch eine Kollision.“

So steht bei den Oldenburger Wissenschaftlern die Mensch-Maschine-Interaktion auf unterschiedlichsten Ebenen im Fokus. Das Ziel ist die Modellierung des Menschen in einem technischen Prozess. Das ist ein komplexes Unterfangen mit manchmal vermeintlich banalen Problemen, so Frank Oppenheimer: „Als Mensch hat man ein umfangreiches Weltbild. Wenn jemand hinter einem Gabelstapler verschwindet, rechnen wir intuitiv damit, dass er auf der anderen Seite wieder auftaucht. Aber bringen sie das mal einem Computer bei!“