Erfolgreich mit dem Kollegen Roboter - Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) im Unternehmen einführen.

Schunk

Die Arbeitswelt steht an einem Wendepunkt. Die Mensch-Roboter-Kooperation ist eine der tragenden Säulen der Arbeitswelt 4.0. Ein Fachbericht von Schunk, Spann- und Greiftechnik.

Die Zukunft der Arbeit im Umfeld von Industrie 4.0 sorgt aktuell für eine Menge Diskussionsstoff. Selten war die Kluft zwischen Hoffnungen und Ängsten so groß. Dabei ist klar, dass wir alle eine Zukunft anstreben, in der der Mensch den Fortschritt lenkt und beherrscht, nicht umgekehrt.

Doch die Arbeitswelt steht an einem Wendepunkt; auch in der industriellen Produktion. Schon bald werden an vielen Stellen Roboter im Einsatz sein, die den Menschen unmittelbar, also ohne den bislang üblichen Schutzzaun, bei seinen Aufgaben unterstützen. Aus dem bislang üblichen Nebeneinander wird ein unmittelbares Miteinander von Mensch und Roboter. Diese Mensch-Roboter-Kooperation bzw. -Kollaboration (MRK) ist zweifellos eine der tragenden Säule der Arbeitswelt 4.0.

Roboter sind aus der industriellen Fertigung heute nicht mehr wegzudenken. Bisher agieren die leistungsfähigen Automaten in den meisten Fällen abgeschirmt hinter Gittern. Doch das wird sich schnell ändern. Die Fabrikhallen werden von einer neuen Generation an Industrierobotern erobert, die deutlich kleiner, schneller und flexibler ist als ihre Vorgänger. Die Treiber dieser Entwicklung tragen Produktbezeichnungen wie LBR iiwa (Kuka), Yumi (ABB), CR 4, 7, 35 (Fanuc), UR 3, 5 und 10 (Universal Robots) oder Sawyer (Rethink Robotics).

Die Mensch-Roboter-Kooperation bzw. –Kollaboration (MRK) führt die Stärken von Menschen und Robotern synergetisch zusammen und ermöglicht eine erheblich flexiblere Produktion. Menschen und Maschinen werden sich in Zukunft immer häufiger ihren Arbeitsplatz teilen und täglich neue Formen der Interaktion zwischen Mensch und Maschine erleben. Von der unmittelbaren Zusammenarbeit im Prozess, bei dem beispielsweise die Maschine ihr Verhalten individuell an unterschiedliche Bediener anpasst, bis hin zu ganz neuen Formen der Interaktion, bei denen die Maschine wesentliche Bearbeitungsschritte übernimmt und an den Menschen anstatt der Mitarbeit im Prozess verstärkt Funktionen der Überwachung, Qualitätskontrolle sowie unmittelbare Eingriffe zur Beseitigung von Störungen des Routineablaufs übertragen werden.

Unterschiedliche Stärken-Schwächen-Profile

Wo liegen Stärken des Roboters, wo die Stärken des Menschen? Auf einen Nenner gebracht: Robotern fällt leicht, was Menschen schwerfällt und umgekehrt. Roboter können viele Dinge, die für Menschen eine Qual sind. Beispielsweise das Anheben und wiederholgenaue Ablegen größerer Lasten oder das millimetergenaue Setzen unzähliger Schweißpunkte im Karosseriebau. Ihre Stärke liegt in der Wiederholung einfacher Handhabungstätigkeiten. Diese führen sie mit deutlich höherer Geschwindigkeit und Präzision aus als ihre menschlichen Kollegen. Wenn nötig, bringen sie weit höhere Kräfte wiederholgenau auf, arbeiten ermüdungsfrei und liefern 24 Stunden am Tag eine konsistente Qualität ab, ohne zu ermüden.

Menschen dagegen sind mit ihren kognitiven Fähigkeiten einzigartig, etwa mit ihrem Verständnis der Aufgabe. Sie nehmen auch unerwartete Ereignisse und Zusammenhänge wahr und reagieren situationsgerecht ohne vorangehende Programmierung. Menschen können sich an ihr Arbeitsumfeld und die aktuelle Arbeitssituation auf einzigartige Weise anpassen. Sie sind in der Lage, Probleme schnell zu lösen, spontan einzugreifen und zu improvisieren. Sie beherrschen wechselnde Arbeitssituationen, auf die sie nicht zuerst programmiert werden müssen. Dafür arbeiten sie in der Regel langsamer und weniger wiederholgenau als ihre Maschinenkollegen. Ihr Arbeitstag und Arbeitseinsatz ist limitiert.

MRK - ein Antwort auf den demographischen Wandel

MRK ist ein wesentliches Element zur Gestaltung des demographischen Wandels und dient dem verantwortungsbewussten Erhalt der Leistungsfähigkeit alternder Belegschaften. Bis zum Jahr 2025 verdoppelt sich die Zahl der Menschen an den Produktionslinien, die älter als 55 Jahre sind. Ein Ersatz durch jüngere Fachkräfte wird immer schwieriger.

Mit der MRK steht eine neue Generation von Robotern zur Verfügung, die nicht nur „niedere“ Arbeiten verrichten, sondern vielmehr direkt am Arbeitsplatz die Menschen unterstützen und diese von monotonen, sich wiederholenden, körperlich und psychisch belastenden Arbeitsschritten entlasten. Darüber hinaus sind die neuen Produktionshelfer teilweise mobil einsetzbar und können wechselnde Aufgaben übernehmen. So können sie beispielsweise am Fließ-band aushelfen und die dort eingesetzten Werker unterstützen oder die Aufgaben eines erkrankten Kollegen kurzfristig übernehmen.

Faktor Mensch entscheidet über den Erfolg von MRK-Projekten

Zahlreiche Betriebe haben die ersten MRK-Pilotanwendungen in Betrieb genommen und sind intensiv dabei, sich Gedanken zu machen, wie man die neue Technologie in den vorhandenen Produktionslinien nutzbringend einführen kann und wie man die hiervon betroffenen Mitarbeiter in die neue Welt mitnehmen kann.

Wer erstmals eine MRK-Lösungen im Unternehmen einführt, wird feststellen, dass der Veränderungsprozess durchaus zeitintensiv ist und oft nicht ganz stressfrei erfolgt. Da umfangreiche Fragen der Betriebs- und Arbeitssicherheit zu klären sind, ist es ratsam, sorgfältig und wohlüberlegt vorzugehen, sowohl die betroffenen Mitarbeiter als auch den Betriebsrat frühzeitig mit einzubeziehen. Das gilt auch für die Verantwortlichen im Bereich Arbeitssicherheit, die von Beginn an in jedes MRK-Einführungsteam integriert und bei der Auswahl sowie bei der Konzeption der MRK-Arbeitsplätze einbezogen werden sollten.

Roboter, die gemeinsam mit den Werkern in einem gleichen Arbeitsumfeld tätig sein sollen, müssen als „maschinelle Kollegen“ Akzeptanz finden. Über den Erfolg oder Misserfolg einer MRK-Technologie entscheidet nicht allein die technische Umsetzung, sondern vor allem der Faktor Mensch. Neben technologischem Know-how sind Geduld, Fingerspitzengefühl und Respekt vor den oft auch unausgesprochenen Unsicherheiten und Ängsten der Mitarbeiter erforderlich. Insbesondere der Erstkontakt mit dem Roboter und die Einsatzbedingungen haben wesentlichen Einfluss. Dabei zählen vor allem das Aussehen des Roboters und das Sicherheitsempfinden der Nutzer. So sollten in der Phase des Erstkontakts möglichst kurze, langsame, vorhersehbare Roboterbewegungen und sanfte Bewegungsabläufe verwendet werden, die sowohl vom Menschen beobachtet als auch nachvollzogen werden können. Auch die wahrnehmbaren Geräusche sind von elementarer Bedeutung. Ein gesicherter Blick auf das Geschehen mit der Möglichkeit, sich schnell zurückziehen zu können, wirkt Wunder. Werker müssen sich Schritt für Schritt mit dem neuartigen System anfreunden können und im praktischen Erleben lernen, dass sie die Arbeitsprozesse beherrschen, die Abläufe bestimmen und sich auf die Funktion der Sicherheitssysteme verlassen können. Ganz wichtig ist: Der Mensch gibt den Takt vor. Er darf nicht vom Roboter getrieben, gegängelt und von Fehlersignalen genervt werden. Und selbstverständlich gilt es, jede Kollision zu vermeiden.

 

Schunk

"Herr Kollege, bitte übernehmen Sie!". Schunk Co-act-Greifer sind speziell für das Teamwork von Mensch und Maschine konzipiert.

Roboter sichern Arbeitsplätze

In den 1980er Jahren gab es massive Proteste, damals gegen den Robotereinsatz in den Automobilfabriken. Pressen, Schweißen, Karosseriebau, Lackieren, Teiletransport und vieles mehr haben dann in der Tat Maschinen und Roboter übernommen. Viele Menschen mussten sich eine andere Arbeit suchen. Weggefallen sind vor allem gefährliche, schwere und monotone Arbeiten.

Der Ruf eines „Job-Killers“ haftet Robotern zu Unrecht an. Hierfür sprechen ein paar interessante Fakten: In Deutschland verzeichnen wir derzeit die höchste Anzahl an sozialversicherungspflichtig Beschäftigten. Die Produktionsstandorte gelten als gesichert. Dank des verstärkten Robotereinsatzes verlieren beispielsweise Produktionsverlagerungen in Niedriglohnländer ihre Attraktivität. Dies gilt besonders für China, wo die Lohnkosten pro Jahr um ca. 15 % steigen und die Fertigungsstandorte unter immenser Mitarbeiterfluktuation leiden.

Die Roboterdichte in Deutschland ist nach Angaben der International Federation of Robotics (IFRS) mit heute 292 Systemen je 10.000 Erwerbstätigen noch ausbaubar. Zudem ist der Robotereinsatz heute noch in der Hauptsache auf wenige Branchen der Elektronik-, Automobil- und Automobilzuliefererindustrie beschränkt.

Sicherheit geht vor! - Normen und Fachinformationen als Richtschnur

Durch die stärkere Einbindung von Robotern in den Produktionsprozess, die sich bis hin zum unmittelbaren Miteinander von Mensch und Roboter erstreckt, steigt aber auch das Gefahrenpotential für Bediener, Service- und Instandhaltungspersonal. Um ein sicheres Arbeiten für diesen Personenkreis zu ermöglichen, unterliegen die Konstruktion MRK-fähiger Robotern und die Konzeption von MRK-Montagearbeitsplätzen einer Vielzahl an Richtlinien und Normen.

Es muss sichergestellt sein, dass die kraftvollen Gehilfen ihren menschlichen Kollegen nicht gefährlich werden oder sie gar aus Versehen verletzen. Voraussetzungen dafür sind unter anderem eine leistungsfähige Umgebungserkennung, kurze Reaktionszeiten sowie eine hohe Intelligenz der Steuerungssysteme, um die Gefahren für Mensch und Maschine auf ein Minimum zu reduzieren, ohne die Produktionseinrichtungen in ihrer Funktion und Bedienbarkeit mehr als erforderlich zu beschränken.

Mehrere Arbeitskreise haben sich an die Arbeit gemacht, ein gemeinsames Verständnis zur Mensch-Roboter-Kollaboration zu entwickeln, den erforderlichen Normierungsbedarf zu identifizieren und Lösungsansätze für die Anwendung der MRK in der betrieblichen Praxis zu entwickeln. Vor allem von den führenden Branchenverbänden der Automatisierungstechnik VDMA, ZVEI und Bitkom sowie von den Berufsgenossenschaften werden konkrete Einführungshilfen angeboten und die verschiedenen Normungsaktivitäten aktiv begleitet. Diese Normen gelten weltweit.

Das Positionspapier „Sicherheit bei der Mensch-Roboter-Kollaboration“ beispielsweise, das der VDMA in Zusammenarbeit mit der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik (MHI) veröffentlicht hat, liefert konkrete Lösungsansätze zu MRK. Eine umfassende Themendokumentation zur MRK ist im Internet auf diversen Arbeitsschutzplattformen zu finden. Auch die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e.V. (DGUV) hat wesentliche Schritte auf dem Weg zur erfolgreichen Umsetzung der MRK in frei über das Internet zur Verfügung stehenden Statuspublikationen und Handreichungen offengelegt. Informationen über Sicherheitsanforderungen in Zusammenhang mit MRK wurden von der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) in ihrer DGUV Information 209-074 zusammengefasst, die ebenfalls frei zum Download angeboten wird. Damit die Verwendung von kollaborierenden Robotersystemen und die vorangehende BG-Zulassung zum Erfolg und nicht zum Risiko wird, sind bei der BGHM eine Checkliste und weitere Fachinformationen zusammengestellt. So liefert beispielsweise die DGUV-Information „Kollaborierende Robotersysteme – Planung von Anlagen mit der Funktion Leistungs- und Kraftbegrenzung“ wesentliche Grundlagen.

Vorgehensweise bei Risikoanalyse

Roboter, die in einem gemeinsamen Arbeitsbereich mit einem Werker interagieren, müssen weit mehr Anforderungen an die Sicherheit und Sicherheitstechnik erfüllen als Roboter, bei denen während der Produktion keine unmittelbare Interaktion von Roboter und Werker stattfindet. Ein MRK-fähiger Roboter muss ruhig fahren, Kollisionen feinfühlig erkennen und sollte für ein intelligentes Teamwork mit dem Menschen kraftgeregelt und sicher agieren. Leichtbaumaterialien haben den Vorteil, dass die bewegte Masse des Arms sinkt und damit der Kollisionsimpuls verringert wird. Sämtliche Steuerungselemente und die Antriebsregelungen sind in sicherer Technik Performance-Level d (PL d) mit Strukturkategorie 3 (Kat. 3) auszuführen. Der Roboter sollte zum einen möglichst platzsparend aufgebaut sein, zum anderen möglichst flexibel agieren können, um bei Bedarf Störkonturen im Arbeitsbereich zu umfahren. Da nicht jeder Werker über Programmierkenntnisse verfügt, ist es gerade im Hinblick auf die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in einer Fertigungslinie sinnvoll, dass MRK-Roboter schnell und einfach programmiert werden können – im Idealfall ohne Programmierkenntnisse des Bedieners (Teaching by Demonstration).

Standardkomponenten und Co-act-Team

Um Anwendern beim Einstieg in die Mensch-Roboter-Kollaboration zu unterstützen, leistet der Kompetenzführer für Greifsysteme und Spanntechnik SCHUNK einen zweifachen Beitrag: Zum einen berät das interdisziplinär zusammengesetzte und speziell zu diesem Zweck geschulte SCHUNK Co-act Team bei der Realisierung von MRK-Projekten. Zum anderen bietet SCHUNK mit seinen Co-act Greifern für kollaborierende Anwendungen die passenden Komponenten für MRK-Applikationen. Darunter befindet sich unter anderem der SCHUNK Co-act EGP-C Greifer, der als weltweit erster Industriegreifer von der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung DGUV für den kollaborierenden Betrieb zertifiziert und zugelassen wurde. Der kompakte, mit einer Kollisionsschutzhülle umhauste 2-Finger-Parallelgreifer deckt ein breites Einsatzspektrum ab – von der Kleinteilemontage in der Elektronik- und Konsumgüterindustrie bis zu Montageanwendungen im Automotive-Sektor. Er erfüllt die Anforderungen der ISO/TS 15066 und ist so konstruiert, dass er einen Menschen nicht verletzten kann. Eine sichere Strombegrenzung gewährleistet, dass die Anforderungen für kollaborierende Anwendungen zuverlässig erfüllt werden. Mit seinem DGUV-Zertifikat leistet der Greifer einen wichtigen Beitrag, um den Zertifizierungsprozess kompletter MRK-Systeme zu verkürzen. 

Schunk

"Der für MRK-Anwendungen zertifizierte SCHUNK Co-act EGP-C Greifer ermöglicht kollaborative Szenarien in der Kleinteilemontage.

MRK-Check für Arbeitsplätze
Welche Arbeitsplätze eignen sich für den Einsatz kollaborativer Roboter?

  • Anstrengen, eintönige oder schmutzige Arbeiten: Typische Aufgaben also, die bislang kein Produktionsmitarbeiter gerne übernimmt. Durch die Mensch-Roboter-Kollaboration erfahren Werker eine Entlasung und können sich auf hochwertigere Tätigkeiten konzentrieren.
  • Konzentrationsintensive und risikoreiche Tätigkeiten: MRK-Systeme entlasten den Werker, senken das  Risiko von Fehlern oder Unfällen und verbessern die Fertigungsqualität.
  • Beladung von Maschinen: MRK-Systeme schaffen die Grundlage für eine Mehrmaschinenbedienung. Bei Bearbeitungszentren können insbesondere in den Nachtschichten kostengünstig und ressourcenschonend MRK-Systeme eingesetzt werden, ohne die Flexibilität in der Tagschicht einzuschränken.
  • Alternative zur Vollautomatisierung: Wo eine komplette Automatisierung von Produktions- oder Montagelinien zu teuer oder nur bedingt umsetzbar ist, lassen sich Teilprozesse herauslösen und zwischen Mensch und Roboter aufteilen.
  • Nachrüstung von Robotern an bestehenden Produktionsanlagen: Überall dort, wo aus Platzgründen bislang kein Umbau der Maschine und keine Nachrüstung mit trennenden Schutzeinrichtungen oder Zäunen möglich waren.

Autor des Fachberichts:

Prof. Dr.-Ing. Markus Glück
Geschäftsführer Forschung & Entwicklung
Chief Innovation Officer (CINO)
SCHUNK GmbH & Co. KG, Lauffen/Neckar