Roboter gehen dem Werker zur Hand

Digitales Menschmodell für RoRaRob

© RoRaRob

Im selben Technologieprogramm veranschaulicht das Projekt Rorarob, wie sich neue kollaborative Systeme in bestehende Arbeitsstrukturen integrieren lassen, ohne dass neue Qualifikationsprofile erforderlich sind. Konkret wurde ein Roboterassistenzsystem zur Bearbeitung von Schweißaufgaben in der Rohr- und Rahmenfertigung entwickelt. Ein wesentlicher Fokus lag hier auf der Interaktion zwischen Mensch und Maschine unter ergonomischen und ökonomischen Aspekten.

Ziel des Projektes ist es nicht, die Schweißer zu ersetzen. Vielmehr geht es darum, Nebentätigkeiten wie etwa die Werkstückhandhabung, die für die Kernaufgabe "Schweißen" nicht wesentlich sind, zu reduzieren. Einhergehen damit erhebliche ergonomische Entlastungen. Das heißt beispielsweise: Bauteile von etwa 80 kg müssen nicht mehr manuell bewegt und positioniert werden. Auch Zwangshaltungen werden vermieden. Dafür wurde ein digitales physisches Menschmodell von Anfang an in das System integriert und auf diese Weise die kinematischen Begrenzungen anforderungsgerecht abgebildet.

Über Kollisionsabfragen werden bei diesem Projekt optimale Bewegungsmuster für die werkstückführenden Handhabungsroboter abgeleitet, in Roboterprogramme umgewandelt und in das Gesamtsystem übernommen. Gleichzeitig wird an dem virtuellen Werker überprüft, ob dessen physische Belastung unterhalb der Belastungsgrenzen liegt. Im laufenden Betrieb kann der Arbeiter die Arbeitshöhe mit Hilfe eines innovativen Interaktionsin­struments (6D-Maus) anpassen. Entscheidend ist aber auch hier: Die Schweißer programmieren die Roboter nicht selbst. Dies erfolgt fast ausschließlich durch Offline-Programmierung.

Eine Aufgabenbereicherung für die Schweißer durch Integration von Programmieraufgaben ist in diesem Beispiel auch aus betriebswirtschaftlichen Gründen nicht naheliegend. Mit anderen Worten: Im Gegensatz zum RoboGasInspector wird sich die Tätigkeit des Schweißers nicht grundlegend ändern. Im Sinne einer positiven Arbeitsorganisation findet jedoch eine wesentliche Entlastung statt, der Arbeiter steht im Zentrum der Tätigkeiten und kann bereits zu einem gewissen Grad Einfluss auf die Assistenzfähigkeit des Roboters nehmen.

Durch seine kraftgekoppelte Steuerung ist der Leichtbauarm UR5 intrinsisch sicher und lässt sich einfach in das Arbeitsumfeld eines Technikers integrieren.

© Martin Kovář

Die Übernahme von Programmieraufgaben durch den Arbeiter ohne den Erwerb von fachspezifischen Qualifika­tionen lässt sich nur durch weiter vereinfachte Benutzerschnittstellen erreichen. Diesbezüglich derzeit sehr erfolgreiche Produktbeispiele sind assistierende Roboterarme wie etwa die des dänischen Herstellers Universal Robots. Dessen Leichtbauarm UR5 kommt unter anderem bei dem tschechischen Farbenhersteller Replac-BM zum Einsatz und übernimmt dort monotone Aufgaben, wie sie beim Testen der Genauigkeit von fertigen Farbmischungen anfallen.

Doch auch hier arbeiten Roboter und Techniker Hand in Hand. Das heißt: Der Roboter übernimmt das Transferieren einer Farbprobe in den Mixer. Das anschließende Auftragen der Farbprobe auf eine Kontrastkarte hingegen erfordert sehr genaues und feinmotorisches Arbeiten, wozu nur der Techniker selbst in der Lage ist. Das monotone Transferieren aller Kontrastkarten in einen Spektrometer übernimmt anschließend wieder der Roboterarm. Nach dem Scannen überprüft der Techniker die Ergebnisse letztendlich auf ihre Richtigkeit.

Die maximalen Kräfte und Geschwindigkeiten des Roboters sind so konzipiert, dass dieser keine Verletzungen verursacht und sofort seinen Betrieb stoppt, sobald ein Mensch in seinem Arbeitsbereich eingreift. Je nach Anwendung und Beschaffenheit des Greifwerkzeugs ist vor Inbetriebnahme jedoch eine umfassende Risikoanalyse erforderlich. Bereits nach kurzem Training konnten die Techniker den Roboter vollkommen autonom über die grafische Oberfläche eines Teach-in-Panels programmieren. Dadurch wird das gesamte System adaptiv, da immer wieder Anpassung mit unterschiedlichen Greifern erfolgen können.

Intuitive Programmierung des Baxter-Roboters beim Plastikhersteller Rodon mit dem Ziel, verschiedene Komponenten in Kisten zu verstauen.

© Rodon Group

Noch weiter vereinfacht ist die Programmierung des Roboters Baxter von der Firma IRobot. Baxter wurde von Anfang an unter Einbeziehung potenzieller Anwender entwickelt. Neben Sicherheitsaspekten lag das Hauptaugenmerk dabei auf der einfachen Nutzbarkeit beziehungsweise Interaktion zwischen Roboter und Arbeiter. Programmierung und Training von Baxter erfolgen über intuitives Ziehen und Schieben des Roboterarmes und Greifers. Mittels eines Bildschirms erhält der Nutzer visuelles Feedback über den Trainingserfolg. Dieser Bildschirm dient daneben der Interaktion während des laufenden Betriebs. Virtuelle Augen signalisieren, wenn der Roboter zum Beispiel aufgrund fehlender Teile Hilfestellung benötigt, und schauen immer in die Richtung, in der der Roboter gerade motorisch aktiv ist. Somit kann der Arbeiter die Bewegungen des Roboters sehr leicht antizipieren. Baxter ist wie der UR5 intrinsisch sicher, so dass keine Sicherheitsbereiche definiert und gegenüber dem Arbeiter abgegrenzt werden müssen.

Damit erfüllt Baxter alle arbeitsorganisatorischen Anforderungen für eine vollständige Tätigkeit. Einerseits kann der Arbeiter die Aufgaben ohne fachspezifische Zusatzqualifikationen eigenständig planen, organisieren, durchführen und kontrollieren. Andererseits ist der Roboter auch in der Lage, seinen Istzustand für den Fall, dass die gewohnte Operabilität nicht mehr gewährleistet ist, an den Nutzer weiterzugeben. Der Nutzer kann dies intuitiv verstehen und ist fähig, das Problem selbstständig zu beheben. Dies setzt intuitive Schnittstellen voraus – nicht nur in Richtung vom Menschen zum Roboter, sondern auch in die andere Richtung. Derzeitige Forschungsarbeiten im Bereich der Mensch-Maschine-Interaktion konzen­trieren sich oft darauf, das Verhalten des Menschen vorherzusagen und daraus ein adaptives Roboterverhalten abzuleiten. Dabei wird oft vergessen, dass auch der Mensch hochgradig adaptiv reagieren kann – vorausgesetzt er ist in der Lage, die "Intentionen" und Zustände eines Roboters intuitiv zu erfassen.

Sicherheit wird großgeschrieben

Sensorische Arbeitsraumüberwachung: Greift der Mensch in den Arbeitsbereich vom Roboter ein, stoppt dieser sofort. Nachfolgende Bewegungen des Roboters können über optische Pfeile und Zielmarkierungen besser vom Werker antizipiert werden.

© Fraunhofer IFF

Ein aktuelles Forschungsprojekt am Fraunhofer IFF zeigt, wie die Rückmeldung des Roboters an den Arbeiter weiter ausgestaltet werden kann. Über eine Kombination von Kamera- und Projektionstechnik lassen sich bei diesem Projekt nicht nur Sicherheitsbereiche dynamisch und für jeden Nutzer leicht verständlich visualisieren, sondern es wird auch das Eingreifen in die Sicherheitsbereiche registriert und entsprechende Aktionen beim Roboterarm ausgelöst (zum Beispiel Not-Stopp). Gleichzeitig kann ein solches System den Nutzer über zukünftige Aktionen des Roboters informieren; und zwar genau dort, wo diese Aktionen stattfinden werden. Damit handelt es sich um eine hochintuitive bidirektionale Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine, die ein wesentlich effizienteres Zusammenarbeiten von Mensch und Roboter verspricht.

Eine autonome Drohne im Dienste der Entwicklungshilfe auf Haiti. Innerhalb einer Woche wurden hier Entwicklungshelfer trainiert, die Drohnen zur Kartenerstellung von Überschwemmungsgebieten zu benutzen.

© Drone Adventure

Intuitive Bedienbarkeit und intrinsische Sicherheit sind jedoch nicht nur für den Erfolg von Robotern für 'Pick&Place'-Anwendungen entscheidend. So stellt etwa die Schweizer Firma SenseFly Leichtgewichts-Drohnen her, die neben der Inspektion von Agrarflächen und zur Umweltüberwachung in der Katastrophenhilfe einsetzbar sind. Auch hier wurde großer Wert auf die einfache Erlernbarkeit der Nutzung gesetzt. Das Aktivieren der Drohne erfolgt über Schüttelbewegungen und die Steuerung über Wegpunktmarkierungen auf Karten von GoogleMaps. Bild-Erfassung und anschließende 3D-Kartenerstellung übernimmt eine intelligente Software.

Die Drohnen sind aus Schaumstoff hergestellt und die Propeller so angebracht, dass selbst im Fall einer Kollision mit Menschen keine schwerwiegenden Verletzungen auftreten können. Dadurch kann das System vollkommen autonom ohne einen 'Sicherheitspiloten' agieren. Der Anwender hat mit diesem System Planung, Organisation, Durchführung und Kontrolle der Arbeiten in einer Hand, ohne dass hierfür Spezialkenntnisse notwendig wären.

Autoren:
Dr. Ernst Hartmann ist Leiter des Institutes für Innovation und Technik (iit) vom  VDI/VDE-IT;
Dr. Steffen Wischmann ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Begleitforschung 'Autonomik' und 'Autonomik für Industrie 4.0'