Mensch und Roboter im Team

Roboter und Menschen müssen in der Fertigung heute nicht mehr auf Abstand gehalten werden. Ganz im Gegenteil: Arbeiten sie Hand in Hand, steigert das Produktivität und Flexibilität – gerade bei der Herstellung variantenreicher Kleinserien. Wie die direkte Mensch-Roboter-Kooperation aussehen kann, zeigen Fraunhofer IPA und IPK in der Versuchsanlage »team@work«.

Eine wesentliche Stärke des Menschen ist seine Flexibilität: Er kann sich schnell auf die unterschiedlichsten Situationen einstellen, meistert selbst unvorhergesehene Aufgaben und besitzt in seinen Händen einzigartige Universalwerkzeuge, mit denen er eine Vielzahl von Arbeiten ausführen kann. Gerade bei der Fertigung von variantenreichen Kleinserien wird deshalb noch häufig auf manuelle Arbeit gesetzt. Denn Robotern und anderen Automaten solche Flexibilität abzuringen, ist äußerst aufwändig, wenn nicht gar unmöglich. Ihre Stärke ist die schnelle und präzise Ausführung einfacher, wiederkehrender Tätigkeiten. Wechselt die Aufgabe, dann wechselt auch das Werkzeug, wenn nicht gar das Programm des Roboters. Aus sicherheitstechnischen Gründen arbeiten Menschen und Roboter bislang strikt voneinander getrennt – zumindest in Fabrikhallen. Das muss nicht so bleiben, finden Fraunhofer-Ingenieure. Außerhalb von Fabriken interagieren Menschen und selbst autonome mobile Systeme (AMS) bereits erfolgreich und direkt, ohne trennende Schutzzäune und manchmal sogar hautnah.

»Wir meinen, dass mittlerweile die technischen Voraussetzungen erreicht sind, auch in der Fertigung diese strikte Trennung aufzuheben und damit ganz neue Rationalisierungspotenziale zu erschließen«, erklärt Stefan Thiemermann vom Fraunhofer IPA. Gemeinsam mit Forschern vom Fraunhofer IPK, Berlin, arbeiten er und sein Team an einem »Kooperations-Arbeitsplatz«. Ein stationärer Industrieroboter und ein Werker montieren dort Hand in Hand Baugruppen oder ganze Teile gleichzeitig, nebeneinander oder zeitlich versetzt, jedoch immer in unmittelbarer Nachbarschaft. Werker und Roboter nehmen dabei Positionen ein, die ihnen uneingeschränkt Zugriff auf das Montageobjekt erlauben. Damit sie auch parallel arbeiten können, gibt es innerhalb der Anlage einen Schritt weiter eine zweite Station für rein manuelle Arbeiten. »Die Sicherheit des Menschen hat bei diesem Konzept oberste Priorität«, betont Thiemermann, »aber das muss nicht zu Lasten der Produktivität gehen«.

Dafür sorgt ein intelligentes Überwachungssystem für den gemeinsamen Arbeitsraum. Sein Grundprinzip ist eine flexible Abstandsüberwachung. Mehrere Kameras behalten Roboter und Werker im Auge. Sie melden Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der exponiertesten Punkte der beiden Akteure an ein Regelungssystem weiter. Der ermittelt daraus mit Hilfe einer neu entwickelten Software den jeweils kürzesten Abstand zwischen ihnen. Dieser wird mit einem sicherheitstechnisch zulässigen Abstand verglichen, der von der aktuellen Situation, d. h. den Momentangeschwindigkeiten von Mensch und Roboter abhängt, aber auch Fixgrößen wie Brems- und Not-Aus-Verhalten des Roboters sowie die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Gesamtsystems berücksichtigt.

Das Ziel des Versuchanlage »team@work« ist es, ein Montagesystem zu entwickeln, das einfach zu erweitern und produktneutral aufgebaut ist, das ein breites Spektrum von Arbeitsinhalten pro Station zulässt und den stetigen Wechsel von manuellen und automatischen Tätigkeiten erlaubt. »Es gab bereits verschieden Ansätze von Montagesystemen, die die Fähigkeiten von Mensch und Roboter miteinander kombinieren wollten«, räumt Thiemermann ein. Die Arbeitsplätze waren aus Sicherheitsgründen jedoch immer getrennt. Eine relativ flexible Arbeitsteilung erreichten sie allein durch das Materialflusssystem: die Produkte wurden solange im Kreis durch die Roboter- und Werkerarbeitsplätze geführt, bis sie fertiggestellt waren und aus dem Kreisverkehr ausgeschleust werden konnten. »Die aufwändige Materialhandhabung und Materialflusssteuerung verhinderten, dass sich solche Systeme durchsetzen konnten«, erklärt der IPA-Projektleiter. Daraus ergab sich für ihn, dass »das Produkt idealerweise stationär bleibt« und Werker und Roboter so angeordnet sind, dass sie uneingeschränkten Zugriff auf das Montageobjekt haben.

Das erlaubt eine absolut flexible Arbeitsteilung zwischen Mensch und Roboter und gibt ihnen die Gelegenheit, ihre spezifischen Fähigkeiten optimal einzusetzen. Da der Roboter nur die Tätigkeiten durchführt, die leicht automatisierbar sind, vereinfachen sich sowohl die Prozesswerkzeuge als auch Roboterprogrammierung und Materialbereitstellung. Auf Anlagenebene bietet das Konzept die Möglichkeit, autonome Produktionseinheiten zur Montage von kompletten Produkten mit dezentraler Steuerung und Verwaltung zu realisieren. Die Versuchsanlage »team@work« entsteht im Rahmen der »Marktorientierten strategischen Vorlaufforschung« der Fraunhofer-Gesellschaft im Verbundprojekt »Intelligente Produktionsanlagen« am Fraunhofer IPA und wird auf der Hannover Messe 2002 erstmals öffentlich vorgestellt (Halle 17 E 34).

Ihre Ansprechpartner für weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dipl.-Ing. Stefan Thiemermann
Telefon: 0711/970-1054
Telefax: 0711/970-1006
E-Mail: set@ipa.fhg.de