Immer mehr Aufgaben an industriellen Montageplätzen werden mithilfe von Robotern erledigt. Die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter hat einige Vorteile für die Produktion. Doch welche Schwierigkeiten können auftreten? Und wie können Unternehmen die Sicherheit ihrer Mitarbeiter gewährleisten?
Paul Rusch erforscht in seiner Publikation die Auswirkungen der Mensch-Roboter-Kollaboration auf die industrielle Montage. Er erklärt, wann eine solche Kollaboration wirtschaftlich ist und welche Herausforderungen entstehen.
Rusch beleuchtet insbesondere Thematiken wie die Akzeptanz der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sowie die Ergonomie. Dabei zeigt er die Vor- und Nachteile einer Mensch-Roboter-Kollaboration auf und erläutert Sicherheitsanforderungen sowie die wirtschaftliche Eignung.
Aus dem Inhalt:
- Kollaborativer Roboter;
- Leichtbauroboter;
- KUKA;
- Fanuc CR-35iA;
- Bosch APAS;
- Yaskawa human-collaborative robot
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung.
Executive Summary.
Abkürzungsverzeichnis.
Abbildungsverzeichnis.
Formelverzeichnis.
Tabellenverzeichnis.
Danksagung.
1 Einleitung.
1.1 Problemstellung.
1.2 Zielsetzung.
1.3 Aufbau und Struktur.
1.4 Methodische Vorgehensweise.
2 Leichtbauroboter.
2.1 KUKA
2.2 ABB
2.3 UR
2.4 SWAYER..
2.5 Franka Emika Panda.
2.6 Fanuc CR-35iA..
2.7 Bosch APAS.
2.8 Stäubli TX2..
2.9 Yaskawa human-collaborative robot (HC10).
2.10 Zusammenfassung.
3 Hybride Montage.
3.1 Unterschied: Koexistenz: Kooperation, Kollaboration.
3.2 Schnittstellen für die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter.
4 Anforderungen an den Arbeitsplatz.
4.1 Fähigkeitenprofil
4.2 Grenzen eines Robotersystems.
4.3 Technische Anwendungsgebiete.
4.4 Die vier Schutzprinzipien.
5 Sicherheit.
5.1 Sicherheitsanforderungen.
5.2 Kollisionsarten.
5.3 Biomechanische Belastungsgrenzen.
6 Wirtschaftlichkeit.
6.1 Einsparungspotential
6.2 Montageeffizienz.
7 Produktivität.
7.1 Qualität
7.2 Ergonomie.
7.3 Akzeptanz.
8 Empirie.
8.1 Forschungsmethoden.
8.2 Forschungsfrage und Forschungsdesign.
8.3 Leitfaden des Interviews.
8.4 Interviewleitfaden.
9 Nutzwertanalyse.
10 Fazit und Ausblick.
10.1 Fazit
10.2 Ausblick.
Literaturverzeichnis.
Zusammenfassung
Derzeit arbeiten die meisten Robotersysteme in abgesicherten Zellen. Hinter Schutzzäunen oder Lichtschranken führen sie dort ihre industriellen Arbeitstätigkeiten räumlich als auch zeitlich getrennt vom Menschen durch. Solche automatisierten Systeme sind durch hohe Ausbringungsmengen und einer hohen Produktivität charakterisiert. Bei der industriellen Montage, bei welcher oft kleinere Baugruppen mit geringen Gewichten assembliert werden, werden durch die hohe, vom Kunden geforderte Produktvielfalt diese starren Systeme oftmals unwirtschaftlich. Der Einsatz von manuellen Montageplätzen ist die Folge.
Durch die Entwicklung von sensitiven Leichtbaurobotern lässt sich eine skalierbare Automatisierung ermöglichen. In Zukunft werden industrielle Montageplätze vermehrt durch eine Mensch-Roboter-Kollaboration ersetzt werden. Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration arbeiten sensitive Leichtbauroboter räumlich als auch zeitlich mit dem Menschen zusammen.
Bei der Umsetzung einer solchen Mensch-Roboter-Kollaboration sind sicherheitstechnische Aspekte zu berücksichtigen, um ein Verletzen des Menschen ausschließen zu können. Um die wirkenden Kräfte als auch die Drücke bei einer Kollision unter dem Maximalmaß halten zu können, wurden Grenzgeschwindigkeiten für bestimmte Körperregionen definiert. Diese Grenzgeschwindigkeiten schränkt den Leichtbauroboter bei der Mensch-Roboter-Kollaboration in seiner Handhabungsgeschwindigkeit ein, jedoch kann durch ein fähigkeitenorientiertes Verteilen der Montagetätigkeiten zwischen Mensch und Roboter ein ergonomischer und produktiver Arbeitsplatz geschaffen werden.
Neben den Grenzgeschwindigkeiten, welche für ein verletzungsfreies Zusammenarbeiten erforscht wurden, ist bei der Gestaltung eines kollaborativen Arbeitsplatzes zwischen Mensch und Roboter auf die Wohlfühlgeschwindigkeit des Menschen zu achten. Diese Geschwindigkeit beeinflusst den Kooperationsfaktor des Menschen und somit auch die Produktivität des Systems.
Die Mensch-Roboter-Kollaboration beeinflusst verschiedenste Bereiche der industriellen Montage. Die alleinige Betrachtung der Wirtschaftlichkeit bei der Implementierung solcher Systeme reicht meist nicht für eine qualifizierte Entscheidung, ob die Mensch-Roboter-Kollaboration eingesetzt werden soll, aus. Ein multidimensionales Beurteilungsverfahren ist zur Entscheidungsfindung deshalb als gute Lösung zu betrachten.
Executive Summary
Nowadays, most robotic systems are working in secure cells. Behind protective fences or light barriers, they carry out their industrial work activities spatially and temporally separated from humans. Such automated systems are characterized by high output rates and high productivity. In industrial assembly, which often assembles smaller components with low weights, these inflexible systems often become uneconomic due to the high product variety demanded by the customer. The use of manual assembly stations is the result.
The development of sensitive lightweight robots makes scalable automation possible. In the future, industrial assembling will increasingly be replaced by a human-robot-collaboration. In the human-robot-collaboration, sensitive lightweight robots work spatially as well as temporally with humans.
When implementing such a human-robot-collaboration, safety-related aspects must be taken into account in order to avoid human injuries. In order to be able to keep the acting forces as well as the pressures in a collision below the upper tolerance value, the speed limits for certain body regions have been defined. These speed perimeters limit the lightweight robot in human robot collaboration in its handling speed, however, by implementing an ability-oriented distribution of assembly activities between human and robot an ergonomic and productive workstation can be created.
In addition to the speed limits, which were researched for an injury-free cooperation, the design of a collaborative workplace between human and robot as well as the maximum possible working speed to ensure the well-being of a person must be taken into account. This speed influences the cooperation-factor of the person and also the productivity of the system.
The human-robot-collaboration influences various areas of industrial assembly. The sole consideration of economic strategies in order to choose whether or not to implement such systems is usually not sufficient for a qualified decision. A multi-dimensional assessment process is therefore a good solution to take an apt decision.
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: LBR iiwa, KUKA..
Abbildung 2: YuMi, ABB..
Abbildung 3:UR3, UR5, UR7, Universal Robots.
Abbildung 4:Swayer, rethink robotics.
Abbildung 5: Franka Emika Panda.
Abbildung 6: Fanuc CR35iA; Fanuc.
Abbildung 7: APAS, Bosch..
Abbildung 8: Stäubli TX2, Stäubli
Abbildung 9: Yaskawa HC10, Yaskawa.
Abbildung 10: Montage in der industriellen Produktion, (Lotter, 2002,168).
Abbildung 11: Arten von kollaborativer Robotik, eigene Darstellung angelehnt an Bauer, et al. (2006)
Abbildung 12: Roboterhandführung nach ISO TS 15066..
Abbildung 13:Sicherheitsgerichteter Stopp nach ISO TS 15066..
Abbildung 14: Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung nach ISO TS 15066..
Abbildung 15: Kraft- und/oder Leistungsbegrenzung nach ISO TS 15066..
Abbildung 16:Kollisionsszenarien, nach ISO TS 15066..
Abbildung 17: Körpermodell, ISO TS 15066..
Abbildung 18: Graphische Darstellung der Geschwindigkeitsgrenzen, ISO TS 15066..
Abbildung 19: Wirtschaftlichkeit von Produktionsparadigmen, angelehnt an Krüger et al. (2009)
Abbildung 20: Trajektorien zur Abgrenzung des optimalen Einsatzgebiets von MRK, eigene Darstellung in Anlehnung an Jodlbauer (2017).
Abbildung 21: Phasen der Akzeptanz, eigene Darstellung angelehnt an Fatzer (2001). 58
Formelverzeichnis
Formel 1: Maximal übertragene Energie, ISO TS 15066..
Formel 2: Energie mit reduzierter Masse, ISO TS 15066..
Formel 3: reduzierte Masse, ISO TS 15066..
Formel 4: Effektive Masse des Roboters, ISO TS 15066..
Formel 5: maximale Relativgeschwindigkeit, ISO TS 15066..
Formel 6: Stückkosten, Jodlbauer (2017).
Formel 7: Variable Kosten & Fixkosten Vergleich, Jodlbauer (2017).
Formel 8: Schnittpunkte je Ausbringungsmenge, Jodlbauer (2017).
Formel 9: Wechselkosten, Jodlbauer (2017).
Formel 10:Stückkosten mit Wechselkosten, Jodlbauer (2017).
Formel 11: Trajektorien, Jodlbauer (2017).
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Zusammenfassung der Leichtbauroboter, eigene Darstellung.
Tabelle 2: Vor- & Nachteile des Menschen, eigene Darstellung angelehnt an Jodlbauer (2017)
Tabelle 3: Beschreibung des Körpermodells, ISO TS 15066..
Tabelle 4: Biomechanische Grenzwerte 1 von 2, ISO TS 15066
Tabelle 5: Biomechanische Grenzwerte 2 von 2, ISO TS 15066.
Tabelle 6: Effektive Federkonstante & Effektive Masse, ISO TS 15066..
Tabelle 7: Maximal übertragene Energie, ISO TS 15066..
Tabelle 8: Nutzwertanalyse, eigene Darstellung.
Danksagung
An erster Stelle möchte ich meinem Betreuer FH-Prof. DI Dr. Herbert Jodlbauer danken, der mich richtungsweisend und mit viel Engagement während meiner Arbeit begleitet und durch konstruktive Kritik und motivierende Worte zum Gelingen dieser Bachelor-Arbeit beigetragen hat.
In diesem Zusammenhang gilt mein Dank auch meiner Studienkollegin und Freundin, Lisa Schimpelsberger, die mir durch anregende Diskussionen sowie fachlichen Input zur Seite stand.
Des Weiteren möchte ich mich herzlich bei Frau Daniela Hüttner bedanken. Dank ihr sind alle organisatorischen Belange reibungslos über die Bühne gegangen.
Ich möchte zudem meiner Schwester danken, durch die meine Arbeit lesbar wurde.
Ebenfalls danken möchte ich Herrn Ing. Christian Holzinger, der mir die tolle Möglichkeit bot, im Rahmen meines Berufspraktikums mich mit der Thematik der Mensch-Roboter-Kollaboration auseinanderzusetzen.
Ein großer Dank gebührt auch den Herrn Dr. Walter Wohlkinger, Herrn Dario Stojicic Msc. und Herrn David Halbauer, Msc., die mir mit ihrem Expertenwissen zur Seite gestanden sind.
Das größte und herzlichste „Dankeschön!“ gilt jedoch meinen Eltern, die mir mein Studium ermöglichen und mir auch bei Fragen abseits des Studiums beistehen.
1 Einleitung
Die Automatisierung ist in der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken und oftmals der Schlüssel um produzierende Betriebe in Hochlohnländern wettbewerbsfähig zu halten. Bei Montagesystemen ist die Automatisierungstechnik jedoch noch nicht übermäßig etabliert, wie eine schwedische Fallstudie zeigt. Diese Studie wertete mehr als zwanzig Fälle mit über zweitausend verschiedenen industriellen Aufgaben aus. Das Ergebnis, dass über Neunzig Prozent der Aufgaben von Personen, realisiert werden, zeigt, dass der Automatisierungsgrad in der industriellen Montage noch Spielraum nach oben hat (Fast-Berglund et al.,2016, 175).
Bei der Herstellung von Produkten mit einem hohen Maß an Montagekosten werden diese Produkte oftmals in Länder oder Regionen verlegt, die günstigere Lohnkosten aufweisen. Die Anforderungen an eine flexible Produktion steigen durch die hohe Variantenvielfalt und sinkenden Losgrößen an. Das Adoptieren der Produktion mit Hilfe von konventionellen Industrierobotern ist häufig nicht wirtschaftlich vertretbar (Matthias & Ding, 2013, 2).
Die Entscheidung der Automatisierung oder nicht Automatisierung hängt von verschiedenen Aspekten ab. Heilala & Voho (2000) sprechen bei der Entscheidung, wann oder wann nicht automatisiert werden soll, von Faktoren wie das Produktvolumen und die Produktvarianten.
Zwei weitere Aspekte warum der Automatisierungsgrad bei der industriellen Montage so gering ist, ist mit dem Return of Investments und der Hochlaufzeit zu erklären. Die Installation einer Roboterzelle ist mit einer Investition und Zeit verbunden. Bei Produkten mit kleinen Volumina wird der Zusammenbau vom Menschen gemacht. Steigt dann das Volumen der produzierten Produkte, wird der Mensch nicht sofort durch eine Roboterzelle ersetzt. Die Technologie der kollaborierenden Roboter wurde entwickelt, um direkte Interaktionen mit dessen Arbeitspartner durchführen zu können. Durch das Verschmelzen der Vorteile von Robotern und der Fähigkeiten des Menschen sind Vorteile in verschiedensten Anwendungsszenarien zu erwarten. Die dafür entwickelten, leichten Roboter, wie jene von KUKA oder Universalroboter, werden Cobots genannt. Cobot leitet sich aus den zwei englischen Wörtern collaboration und robot ab und bezeichnet einen kollaborativen Roboter (Kosuge & Hirata, 2004, 8ff).
Sich mit der Thematik der kollaborierenden Robotik auseinanderzusetzen, um mit dem erlangten Wissen langfristige Lösungsansetze für die industrielle Montage zu entwickeln, wird als wichtiger Bestandteil bei der Implementierung der kollaborierenden Roboter angesehen. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass Lösungen mit kollaborierenden Robotern und deren Einsatz mit Bezug auf das Produkt, welches gefertigt oder assembliert wird, zu bewertet ist (Wiendahl et al, 2007, 783ff).
Um bei der Mensch-Roboter-Kollaboration erfolgreiche und akzeptable Lösungen erreichen zu können, kann in fünf Gestaltungsdimensionen unterteilt werden. Jeder dieser fünf Punkte findet sich in dieser Arbeit wieder. Unter diese fünf Gestaltungsdimensionen fallen die Wirtschaftlichkeit, die Sicherheit, die Ergonomie, Arbeitsinhalte und deren Organisation bei der MRK, als auch die Akzeptanz.
1.1 Problemstellung
Die kundenorientierte Produktion wirkt sich auf viele Bereiche eines Unternehmens aus, so auch auf die industrielle Montage. Der Einsatz von Leichtbaurobotern verspricht neue Möglichkeiten um eine wirtschaftliche und kundenorientierte Montage umzusetzen. Bei der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter tun sich folgende Fragen auf:
- Wie wirkt sich die Einführung einer Mensch-Roboter-Kollaboration auf industrielle Montageplätze aus?
- Welche Herausforderungen sind bei der Implementierung einer Mensch-Roboter-Kollaboration zu meistern
- Wie kann die Akzeptanz der Menschen deren Sicherheit bei einer Mensch-Roboter-Kollaboration gewährleistet werden?
1.2 Zielsetzung
In dieser Arbeit soll die Frage geklärt werden, welche Auswirkungen die Mensch-Roboter-Kollaboration auf die industrielle Montage hat. Unter dem Begriff der industriellen Montage werden in dieser Arbeit Tätigkeiten verstanden, die im Rahmen der Produktion zum planmäßigen Zusammenbau von Bauteilen oder Baugruppen anfallen. Es handelt sich hierbei um Arbeitstätigkeiten, bei welchen Teile bis etwa 15 Kilogramm bewegt werden. Neben der Frage, wann eine Mensch-Roboter-Kollaboration wirtschaftlich ist, sollen die Herausforderungen bei der Implementierung erläutert werden. Hierbei werden Thematiken wie die Akzeptanz der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter und die Ergonomie beleuchtet. Des Weiteren stellt sich die Frage, wie die Sicherheit des Menschen beim Einsatz der Mensch-Roboter-Kollaboration in der industriellen Montage erreicht werden kann. Das Ziel der Arbeit ist es, die Vorteile und Nachteile der Interaktionspartner Mensch und Roboter herauszuarbeiten und unter der Berücksichtigung von sicherheitstechnischen Anforderungen, wirtschaftlicher Eignung und der Eigenheiten des Menschen, Einsatzgebiete der Mensch-Roboter-Kollaboration zu detektieren.
1.3 Aufbau und Struktur
Beim Aufbau dieser Arbeit werden zur Erreichung der Zielsetzung zuerst die zwei Hauptthemen –Leichtbauroboter und industrielle Montage- beleuchtet. In dem Kapitel der Leichtbauroboter wird vorerst die Frage geklärt, worum es sich bei einem Leichtbauroboter handelt und welche Eigenschaften ihn charakterisieren. Nach dieser generellen Einleitung folgt ein Überblick über die derzeitig am Markt verfügbaren Roboter. Nach der Vorstellung der Leichtbauroboter und ihrer Spezifikationen werden ihre Charakteristiken zum einfacherem Vergleich in einer Tabelle zusammengeführt.
Anschließend wird die hybride Montage beschrieben. Diese ist der Einsatzort der Leichtbauroboter, in welcher er in Unterschiedlicher vorm eingesetzt werden kann. Diese Arbeit geht auf die möglichen Szenarien für die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter ein und beschreibt, wie mit den beschriebenen Möglichkeiten eine hybride Montage entstehen kann. Danach werden die verschiedenen Arten der Schnittstellen zwischen Mensch und Roboter erläutert. In diesem Kapitel wird darauf eingegangen, welche Systeme derzeit verwendet werden und welche in Zukunft eingesetzt werden. Es wird zusätzlich auf die Vor- als auch Nachteile dieser Systeme für den Einsatz in der industriellen Montage eingegangen.
Nach dem Kapitel hybride Montage werden die Anforderungen an den Arbeitsplatz bei der Verwendung von MRK- Systemen beschrieben. Es wird anhand eines erstellten Fähigkeitenprofils von Mensch und Roboter die jeweiligen Vor- und Nachteile gegenübergestellt. Im Anschluss werden die Grenzen von Robotersystemen dargestellt und auf die Anwendungsgebiete der MRK eingegangen. Abgeschlossen wird das Kapitel mit den vier Schutzprinzipien, welche beim Einsatz von MRK zum Einsatz kommen können.
Um die MRK in der industriellen Montage verwenden zu könne ist die Sicherheit des Menschen zu gewährleisten. In dem Kapitel Sicherheit werden deshalb zuerst die Sicherheitsanforderungen beschrieben und anschließend die Kollisionsarten, die bei einer Mensch-Roboter-Kollaboration auftreten können. Es wird zusätzlich beschrieben wie das Risiko einer Verletzung bei einer Kollision zwischen Mensch und Roboter vermindert werden kann. In der industriellen Montage werden verschiedenste Tätigkeiten mit unterschiedlichsten Bauteilen durchgeführt. Um bei Kollisionen mit dem Roboter oder Bauteilen keine Verletzungen davon zu tragen werden bei den biomechanischen Belastungsgrenzen Geschwindigkeitsgrenzen in Abhängigkeit von der effektiven Masse definiert.
Das anschließende Kapitel beschäftigt sich mit der Wirtschaftlichkeit von MRK-Systemen. In diesem Kapitel wird der Einsatzort der Leichtbauroboter anhand der Stückkosten abgehandelt. Es wird zusätzlich der Nutzen der Mensch-Roboter-Kollaboration anhand der Montageeffizienz beschrieben.
Im darauffolgenden Abschnitt wird auf die Qualität beim Einsatz der MRK in der industriellen Montage eingegangen. Da der Mensch bei einer MRK Applikation im Mittelpunkt stehen sollte werden die Themen –Ergonomie und Akzeptanz- in dieser Arbeit im Zusammenhang mit der industriellen Montage erläutert.
Um aktuellstes Expertenwissen in diese Arbeit einfließen lassen zu können bediente sich diese Arbeit neben facheinschlägiger Literatur auch Experteninterviews. Die vorgehensweiße wird im Kapitel der Empirie eingegangen.
Zum Abschluss folgt eine Nutzwertanalyse wie ein Fazit zum Thema Mensch-Roboter-Kollaboration in der industriellen Montage.
1.4 Methodische Vorgehensweise
Die Vorgehensweise bei der Ausarbeitung der Fragestellung bediente sich einerseits methodisch einer intensiven Literaturrecherche und andererseits einer empirischen Herangehensweise in Form eines Expertengesprächs. Am Anfang dieser Arbeit wurde eine Problemstellung als auch Zielsetzung erarbeitet. Darauf folgte eine Literaturrecherche, welche sich in mehrere Teile untergliedert. Zuerst wurde Literatur gesucht, danach ausgewertet und anschließend analysiert.
Der erste Überblick über die Thematik der Mensch-Roboter-Kollaboration und deren Einsatz in der industriellen Montage wurde mittels Internetrecherche gewonnen. Die Internetrecherche wurde mit deutschen als auch englischen Begriffen durchgeführt. Bei der Suche nach Literatur wurden folgende Quellen herangezogen: Bibliotheken der FH Oberösterreich, Google Scholar, Hanser E-Books, IEEE, ScienceDirect College Edition, Springer E-Books und Springer Professional. Augenmerk bei der Beschaffung von Literatur lag neben ihrer Eignung für die auszuarbeitende Problemstellung auf der Aktualität der Literatur. Bei der Suche wurden folgende Schlagwörter verwendet: hybride Montage, industrielle Montage, Mensch-Roboter-Kollaboration, MRK, Mensch-Maschine-Kollaboration, und Leichtbauroboter.
Als Hauptquelle dieser Arbeit dienten Autoren wie Herbert Jodlbauer, Krüger et al., und Matthias & Ding. Für die Ausarbeitung der Sicherheitsanforderungen wurde zu großen Teilen auf die geltenden Normen ISO TS 15066 zurückgegriffen.
2 Leichtbauroboter
Leichtbauroboter sind entwickelt worden, um mit dem Menschen in einem gemischten Einsatzort agieren zu können. Die dadurch entstandenen Möglichkeiten verlangen neue Anforderungen an die Robotik. Um unter gewissen Voraussetzungen mit dem Menschen kollaborieren zu können, sind Leichtbauroboter so konzipiert, dass sie konstruktiv als auch durch ihre sicherheitstechnischen Einrichtungen, eine Verletzungsgefahr bei der Kollision zwischen Roboter und Menschen verhindern. Leichtbauroboter sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Betreiben des Roboters ohne trennende Schutzeinrichtung vollzogen werden kann. Dies ist der Ansatz der Mensch-Roboter-Kollaboration (kurz: MRK), um eine neue Weise von skalierbarer Automatisierung zu schaffen. Mit der MRK soll ein wirtschaftliches und flexibles Arbeiten ermöglicht werden (Matthias, Ding, 2013, 2).
Bei der Entwickelung von Leichtbauroboter ist auf das Tätigkeitsfeld der Robotik zu achten. Somit ergibt sich meist eine geringe Eigenmasse, verglichen mit konventionellen Industrierobotern. Eine genaue Definition der Leichtroboter gibt es bis dato noch nicht, jedoch wird bei den Modellen am Markt eine Eigenmasse von bis zu 15kg festgestellt, was auch in der einschlägigen Forschungsliteratur so beschrieben ist. Dies begründet sich dadurch, dass somit die potenzielle Kollisionsmasse der Roboter klein gehalten wird. Leichtbauroboter werden nicht nur durch die geringe Eigenmasse, sondern durch das Verhältnis von Traglast zu Eigengewicht charakterisiert. Das Verhältnis zwischen Traglast und Eigengewicht beträgt bei Cobots von KUKA etwa 1 : 2. Ein vergleichbarer Industrieroboter von ABB wie dem IRB 1200-5/0.9 weist ein Verhältnis von 1 : 10 auf.
Um Verletzungen und Schäden vermeiden zu können, sind Leichtbauroboter des Weiteren so konstruiert, dass sie mit Rundungen versehen wurden oder gegebenen Falls mit einer polsternden Schutzhülle umzogen sind. Bei Leichtbaurobotern wird neben der geringen Eigenmasse auch das Bauteilgewicht geringgehalten. Bei den Maximaltraglasten wird bei Leichtbaurobotern, bis auf wenige Ausnahmen, ein Gewicht von unter 15kg genannt (Weber, 2017, 3).
Des Weiteren werden Leichtbauroboter auch durch ihre Fahrgeschwindigkeit gekennzeichnet. Bei kooperierender Robotik ist die Geschwindigkeit, verglichen zu Industrierobotern mit Fahrgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/s, sehr gering. Bei Leichtbaurobotern wird die Geschwindigkeit auf 250 mm/s bis 750 mm/s gedrosselt. Dies entspricht in etwas Geschwindigkeiten, die der menschlichen Hand gleichwertig sind (o.V., 2016, 20).
Ein geringes Eigengewicht ist, wie im Kapitel Bei einer möglichen Kollision zwischen Mensch und Roboter darf laut ISO/TS 15066; 2016 weder der Grenzwert für die auftretende Kraft, noch die des Drucks überschritten werden. Daraus ergibt sich, dass bei kleineren Flächen der Druck und im Umkehrschluss bei größeren kollidierenden Flächen die aufgebrachte Kraft von Relevanz sein wird. Die Norm ISO/TS 15066 beschreibt passive und aktive Maßnahmen zur Minderung des Risikos. Bei den passiven Maßnahmen wird von der Abrundung von Kanten und Ecken, nachgiebigen als auch glatten Oberflächen gesprochen. Ebenso gibt die Norm an, dass durch die Polsterung beziehungsweise durch Abfedern mittels verformbarer Komponenten, die Energieübertragungszeit verlängert werden kann und Stoßkräfte dadurch verringert werden. Die zulässigen Grenzwerte werden im folgenden Kapitel erläutert.
Biomechanische Belastungsgrenzen erläutert, einer der Schlüssel für den Einsatz von Leichtbaurobotern. Um Roboter mit dem Menschen kollaborieren lassen zu können, handelt es sich bei Leichtbaurobotern um sensitive Roboter. Sensitivität besitzen die Roboter im Sinne einer Momentenbegrenzung. Die Momentenbegrenzung wird benötigt um die von der Norm vorgeschriebenen Kräfte und Drücke nicht zu überschreiten und somit im Falle eines Zusammenstoßes zwischen Mensch und Roboter eine Verletzung zu vermeiden.
Mit dem Einsatz von Leichtbaurobotern ergeben sich neue Möglichkeiten in der industriellen Montage. Diese Roboter setzen den Grundstein für eine Mensch-Roboter-Kollaboration und ermöglichen neue Produktionsprozesse. Durch das engere Zusammenrücken von Mensch und Roboter können die Vorteile des Menschen und des Roboters zusammengeführt werden und somit neue Aufgabenbereiche abgedeckt werden. Auf die Vor- und Nachteile der beiden Interaktionspartner wird im Kapitel Anforderungen an den Arbeitsplatz eingegangen. Die Mensch-Roboter-Kollaboration eröffnet eine neue Ära der hybriden Montagesysteme (siehe: Hybride Montage). Die angeführten kollaborativen Roboter zeichnen sich durch verschiedenste technische Spezifikationen und Einsatzmöglichkeiten aus. In der Zusammenfassung des Kapitels werden die angeführten Leichtbauroboter miteinander verglichen.
2.1 KUKA
Der LBR iiwa von KUKA ist ein sensitiver Leichtbauroboter, welcher für die Kollaboration zwischen Mensch und Roboter entwickelt wurde. Der Name steht für „Leichtbauroboter, industrial work assistant“. Der Roboter ist der erste von KUKA in Serie produzierte Leichtbauroboter und ist in zwei unterschiedlichen Varianten am Markt erhältlich: erstens, den Kuka iiwa 7 R800 und zweitens, den KUKA iiwa 14 R820. Bei ersterem handelt es sich um ein Modell mit einer maximalen Traglast von 7kg und einer maximalen Reichweite von 800mm, sowie um einen Roboter mit einer maximalen Traglast von 14kg und einer maximalen Reichweite von 820mm. Beide Modelle arbeiten mit geringen Störkonturen, da diese mit sieben Achsen versehen sind. Um den Roboter kollaborationsfähig zu gestalten, hat KUKA den LBR iiwa mit integrierter Momentensensorik versehen. Durch diese wird eine Kraft- und Positionsüberprüfung ermöglicht, was des Weiteren zur Positionierung von Bauteilen angewandt werden kann. Bei einer Kollision reduziert der LBR iiwa sofort die Kraft so wie die Geschwindigkeit. Die Programmierung kann neben schriftlicher Form auch durch Simulation geschehen. Dadurch können Koordinatenpunkte der Roboterbahn auch durch Personen ohne Kenntnisse von Programmiersprachen eingelernt werden (KUKA, 2018).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: LBR iiwa, KUKA
2.2 ABB
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: YuMi, ABB
Der ABB YuMi ist ein Zweiarmroboter mit Greifmanipulatoren und Kraftkontrollsensorik, wodurch eine Mensch-Roboter-Zusammenarbeit ohne weitere Schutzeinrichtungen möglich wird. Der YuMi ist mit einer Schutzhülle überzogen, welche dafür sorgt, dass im Falle einer Kollision, zwischen Mensch und Roboter, die auftretenden Kräfte absorbiert werden. Kommt der Roboter wegen einer Kollision zum Stillstand, kann seine Bewegung durch das Drücken der Playtaste fortgesetzt werden. Bei Bedarf kann der YuMI jedoch mit weiteren Schutzmaßnahmen ausgestattet werden. Beide Roboterarme sind mit integrierten Kameras versehen. Bei dem Design wurde darauf geachtet, dass der YuMI einem menschlichen Aufbau ähnelt und potentielle Gefahrenstellen, wo es zu Quetschungen und Klemmungen kommen kann, eliminiert werden. Der kollaborative Leichtbauroboter von ABB ist mit einer maximalen Traglast von einem halben Kilogramm und einer Reichweite von 500mm im unteren Bereich in diesem Vergleich, glänzt jedoch mit einer hohen Wiederholgenauigkeit von +/- 0,02mm (ABB YuMi, 2018).
2.3 UR
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3:UR3, UR5, UR7, Universal Robots
Universal Robots hat mit dem UR3, UR5 und UR10 drei kollaborative Roboter auf den Markt gebracht. Jeder der drei Roboter ist mit sechs Achsen ausgestattet und für flexible Einsatzgebiete entwickelt worden. Die Roboter haben eine maximale Tragkraft von drei, fünf und zehn Kilogramm. Das Erlernen des Programmierens des Roboters erfolgt über einen Onlinekurs. Nach Angaben der Firma EngRoTec und Welser Profile, welche derzeit einen Roboter von Universal Robots im Einsatz haben, dauert das Erlernen der Programmiersprache ca. drei Stunden. Neben den Vorzügen des schnell wechselbaren Einsatzortes und der schnell erlernbaren Programmierung, haben die Roboter trotz ihrer Größe und ihr Gewicht eine hohe Reichweite. Als Nachteil bei den Modellen von Universal Robots ist neben der geringeren Arbeitsgeschwindigkeit als der KUKA LBR iiwa, die geringe Sensorikausstattung in der Grundversion zu nennen (Universal Robots, 2018).
2.4 SWAYER
Der von rethink robotics entwickelte Roboter hat eine integrierte Kraftsteuerung sowie ein eingebautes Kamerasystem. Durch seine hohe maximale Reichweite von 1260mm und den hohen Freiheitsgrad durch seine sieben Achsen eignet er sich für Handlings- als auch Inspektionsaufgaben. Ebenso wie bei dem Roboter YuMi wurde versucht, die Akzeptanz durch ein Beifügen eines humanen Charakters zu erhöhen. Anders als bei YuMi wird dies nicht durch den Nachbau des menschlichen Oberkörpers, sondern durch einen Touchscreen realisiert. Je nach Tätigkeit des Roboters ändert dieser die dargestellte Mimik auf dem Bildschirm. Zusätzlich wird der Bildschirm als Eingabemöglichkeit als auch Anzeige von relevanten Daten verwendet (rethink robotics, 2018).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4:Swayer, rethink robotics
2.5 Franka Emika Panda
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Franka Emika Panda
Der Franka Emika Panda ist mit einem Preis von unter 10.000€ eine der preiswertesten Varianten eines kollaborativen Roboters. Der Roboterarm ist von der Beweglichkeit, Geschicklichkeit und Empfindlichkeit vom menschlichen Arm inspiriert. Der Roboter ist einer der leichtesten Leichtbauroboter und durch die verbaute Sensorik ist es ihm möglich innerhalb von Millisekunden zu reagieren. Die Tragkraft ist mit drei Kilogramm in diesem Vergleich eher als gering einzustufen. Die Steuereinheit des Franke Emika Pandas kann in Server-Racks installiert oder an einem anderen Ort platziert werden. Es ist die Verbindung zu einer Cloud oder zu einem lokalen Shopfloor-Netzwerk möglich. Der Franka Emika Panda Roboter ist mit einer Benutzeroberfläche direkt am Roboter ausgestattet. Die Anzahl der Finger des Manipulators ist variabel, um somit verschiedenste Objekte greifen zu können (Franka, 2018).
2.6 Fanuc CR-35iA
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Fanuc CR35iA; Fanuc
Der Fanuc CR-35iA ist mit einer Traglast von 35kg der zurzeit stärkste kollaborative Roboter am Markt. Neben der hohen Traglast verfügt er mit einer maximalen Reichweite von 1813mm über einen großen Manipulationsraum. Durch die genannten Eigenschaften ergibt sich auch das Anwendungsgebiet des Roboters. Er wurde entwickelt, um beim Heben von Lasten zu unterstützen. Der Roboter stoppt erst bei einer Kollision, was eine geringe Arbeitsgeschwindigkeit zur Bedingung macht. Der Fanuc CR 35iA ist mit Kraftmesssensoren und einer gepolsterten Außenhaut versehen. Er lässt sich mit der Hand führen und bei Bedarf zur Seite drücken (Fanuc, 2018).
2.7 Bosch APAS
APAS assistant wurde von Bosch entwickelt, um den Menschen bei monotonen und ergonomisch ungünstigen Aufgaben zu unterstützen, ohne dabei die arbeitende Person einzuschränken. Dieser Fokus spiegelt sich in der gewählten Sicherheitseinrichtung wider. Der Roboter ist mit einer gepolsterten Schutzhaut überzogen und stoppt bei einer Annäherung des Menschen, bevor es zu einer Kollision kommt. Der APAS assistant ist mit einer Fernbereichsüberwachung ausstattbar, durch welche der Roboter seine Arbeitsgeschwindigkeit, je nachdem ob ein Mensch anwesend ist oder nicht, anpasst. Somit erreicht der APAS assistant eine Bahngeschwindigkeit von 2,3m/s, statt der standardmäßigen 0,5m/s in Normalbetrieb. Der Roboter ist außerdem als Komplettsystem auf einer mobilen Einheit erhältlich, was den Einsatzbereich des kollaborativen Roboters erhöht. Die maximale Traglast beträgt sieben Kilogramm und der Greifer ist mit drei sensitiven Fingern bestückt. Je nach Anwendungsfall können auch andere Manipulatoren zum Einsatz gebracht werden (Bosch, 2018).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: APAS, Bosch
2.8 Stäubli TX2
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: Stäubli TX2, Stäubli
Stäubli hat mit der TX2- Baureihe sechs kollaborative Roboter mit einer maximalen Tragkraft von 2,3kg bis 20kg. Sie sind mit eine sicheren Drehwinkelgeber ausgestattet. Dabei handelt es sich um Sensor zur Drehwinkelmessung. Es können Sicherheitszonen eingerichtet werden, die beim Betreten des Arbeitsraumes durch den Menschen aktiv geschaltet werden. In diesem Fall dringt der Roboter in diesen definierten Raum nicht ein. Der Roboter verfügt somit über die Möglichkeit von sicherheitsgerichteten Stopps und/oder einer Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung (Stäubli, 2018). Da die TX2-Baureihe von Stäubli keine Sensorik zur Momentenbegrenzung verbaut hat, wird sie in dieser Arbeit nicht mit den anderen Leichtbaurobotern verglichen.
2.9 Yaskawa human-collaborative robot (HC10)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9: Yaskawa HC10, Yaskawa
Mit dem HC10 bringt der derzeitige Weltmarktführer für Industrieroboter einen kollaborativen Roboter auf den Markt. Der HC10 von Yaskawa steht für „Human Collaborative 10“, wobei 10 für die maximale Tragkraft des Leichtbauroboters von 10kg steht. Der Roboter verfügt über sechs gesteuerte Achsen und einem vergleichsweise großen maximalen Arbeitsbereich von 1200mm. Yaskawa hat mit dem HC10 einen unterstützenden Leichtbauroboter entwickelt, der mit dem Menschen auf engstem Raum zusammenarbeiten kann. Bei der Konstruktion des Leichtbauroboters wurde der Abstand zwischen den beweglichen Teilen so gewählt, dass ein Einklemmen und Quetschen kaum möglich ist (Yaskawa, 2018).
2.10 Zusammenfassung
Die angeführten Roboter spiegeln den derzeitigen Stand der Technik wider. Im Rahmen dieser Arbeit werden diese auf Basis ihrer Spezifikationen miteinander verglichen. Die gewählten Betrachtungspunkte wurden herangezogen, um einen Überblick über die Möglichkeiten und somit auch deren Einsatzgebiete zu schaffen. Die Wiederholgenauigkeit als auch die Achsenanzahl, die den Freiheitgrad des Roboters bestimmt, werden hierfür in die Kategorie Qualität eingeordnet. Die maximale Geschwindigkeit ist der Effizienz zugeordnet und die Nenntraglast als auch die maximale Reichweite sind der Ergonomie zugeteilt. Unter dem Betrachtungspunkt der Sicherheit fallen das Performancelevel und die Kategorie. Die darauffolgenden Montagemöglichkeiten werden als eigene Position geführt, da diese nur einen geringen Einfluss auf die Anwendungsmöglichkeiten haben. Dies begründet sich durch die Normenlage, da diese verschiedene Kollisionsmöglichkeiten unterscheidet und eine Kollision unter bestimmten Umständen oder mit bestimmten menschlichen Regionen untersagt. Der am Ende angeführte Punkt der Tabelle ist der Preis der Roboter, welcher als Richtwert zu sehen ist.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1: Zusammenfassung der Leichtbauroboter, eigene Darstellung
3 Hybride Montage
Hybride Montagesysteme werden zur Montage von Produkten und Baugruppen errichtet. Bei hybriden Montagesystemen handelt es sich um eine Kombination von Handarbeitsplätzen und automatisierten Arbeitsstationen. So wie in der unten angeführten schematischen Darstellung (siehe Abbildung 10) liegen diese Systeme auch bei den Betrachtungspunkten Variantenvielfalt, Stückzahl, Flexibilität und Produktivität zwischen einem manuellen Arbeitsplatz und einer automatisierten Arbeitsstation. Unter der Flexibilität wird hierbei die Anpassungsfähigkeit des Systems verstanden. Bei der Variantenvielfallt ist die Vielfalt der auf der Montage zu montierenden Produkte zu verstehen. Die Produktivität ist das Verhältnis zwischen der produzierten Menge und den dafür eingesetzten Produktionsmitteln, welches sich in der unten angeführten Darstellung (Abbildung 10) auf den Menschen bezieht. Bei der Stückzahl wird die Anzahl an Stücken verstanden, die in einer definierten Zeit zu produzieren sind. Unter der Betrachtung der Wirtschaftlichkeit werden hybride Montagesysteme oftmals zum Fügen von Kleinteilen und Kleingerätschaften mit mittleren Stückzahlen angewendet. Durch die MRK bekommt das Hybride Montagesystem einen neuen Stellenwert. Die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter führt dazu, dass der hybride Arbeitsplatz unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten der Mensch-Roboter-Kollaboration ausgelegt wird und andere Arbeitsinhalte bei hybriden Montagesystemen umgesetzt werden können. Ein weiterer wichtiger Entscheidungsfaktor ist die Komplexität des Vorganges. Hybride Montagesysteme, auch Mischmontagesysteme genannt, gewinnen wegen kürzer werdenden Produktlebenszyklen sowie zunehmender Produktvarianten kontinuierlich an Bedeutung (Lotter, 2002, 168 ff).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10: Montage in der industriellen Produktion, (Lotter, 2002,168)
Bei der Planung eines Mischmontagesystems wird als Basis ein manueller Montageplatz herangezogen. Abhängig von den zu erfüllenden Spezifikationen wird eine Anpassung des Automatisierungsgrades durchgeführt. Augenmerk bei der Planung eines hybriden Montagesystems ist auf den Menschen zu legen. Dieser steht trotz der automatisierten Unterstützung durch einen Cobot bei einem Mischmontagesystem im Mittelpunkt. Auch wenn Kollaboration Zusammenarbeit bedeutet, soll der Leichtbauroboter den Menschen in seiner Tätigkeit durch seine Fähigkeiten unterstützen. Bei der Taktabstimmung von parallelen Prozessen gilt es Stresssituationen sowie Wartezeiten für den Menschen zu vermeiden oder den Prozess mittels Puffer oder Bypass-Stationen voneinander zu entkoppeln. Bei einer Planung eines hybriden Montagesystems gelten, zur Vermeidung von Fehlinvestitionen, Grundsätze zur wirtschaftlichen Umsetzung von Montagesystemen.
- Bei der Produktgestaltung ist auf die montagegerechte Gestaltung zu achten
- Montageeinheiten sollten an die Wertschöpfung ausgerichtet sein
- Eine Anpassung an einen anderen Automatisierungsgrad des Montagesystems sollte stufenweise möglich sein
- Aufwendungen welche nicht zur Wertschöpfung beitragen sind zu vermeiden
- So viel Technik wie nötig, so wenig Technik wie möglich
- Anteil der produktneutralen Anlagenelemente so groß wie möglich halten
- Höchste Wirtschaftlichkeit anstreben
Bei der Auswahl des Montagesystems kann generell zwischen drei Grundformen gewählt werden. Das automatisierte Montagesystem ist gekennzeichnet durch hohe Investitionskosten mit einer geringen Flexibilität bei der Variantenvielfalt. Um eine automatisierte Montageanlage wirtschaftlich betreiben zu können, werden große Los- und hohe Stückzahlen benötigt. Im Gegensatz dazu bietet das manuelle Montagesystem hohe Flexibilität was die Variantenvielfalt betrifft bei vergleichsweise niedrigen Investitionskosten. Inmitten dieser beiden Ausrichtungen befindet sich das hybride Montagesystem, durch welches geringere bis mittelgroße Lose bei großer Variantenvielzahl und mittleren Investitionskosten, realisiert werden können.
3.1 Unterschied: Koexistenz: Kooperation, Kollaboration
Bei der Betrachtung der Interaktionsformen zwischen Roboter und Mensch kann je nach Tätigkeitsbereich des Roboters und Menschen eine Abgrenzung erfolgen. Um die neuen Arten der Interaktionsformen zwischen Mensch und Roboter umsetzen zu können, werden sensitive Leichtbauroboter, wie im Kapitel 2 beschrieben, verwendet. Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration entfällt der Schutzzaun für den Roboterbetrieb, was einen gemeinsamen Arbeitsplatz für Mensch und Roboter schafft. Durch das Wegfallen des Schutzraumes des Roboters wird die Trennung des manuellen Arbeitsplatzes und das des automatisierten Roboterarbeitsplatzes aufgehoben. Diese Überlappung der beiden Arbeitsräume lässt ein hybrides Montagesystem entstehen. Es lassen sich folgende Interaktionsformen zwischen Mensch und Roboter (vgl.: Abbildung 11) ableiten:
- Zelle: Hierbei wird von Industrierobotern gesprochen. Durch die räumliche Abgrenzung von Mensch und Roboter ist in diesem Szenario keine Kooperation oder Kollaboration möglich. Diese Art der Verwendung von Robotik wird in dieser Arbeit nicht weiter beleuchtet.
- Koexistenz: Der Roboter ist bei der Koexistenz vom Menschen nicht durch einen Schutzzaun getrennt. Mensch und Roboter arbeiten nebeneinander, jedoch überlappt sich der Arbeitsraum der beiden nicht.
- Synchronisiert: Bei einem synchronisierten Ablauf arbeiten Mensch und Roboter am selben Arbeitsplatz. Entscheidend dabei ist, dass die Interaktionspartner nicht zur gleichen Zeit an demselben Prozess arbeiten, sondern aufeinanderfolgend in den Prozess eingreifen. Diese Art der Zusammenarbeit ist die erste Stufe, bei der Mensch und Roboter auf denselben Arbeitsraum einwirken. Bei der synchronisierten Kollaboration kommt es somit zu keinem direkten Kontakt zwischen den beiden Interaktionspartnern (Bauer, et al. 2006, 9).
- Kooperation: Die Kooperation beschreibt, dass sowohl der Roboter als auch der Mensch zur selben Zeit am selben Arbeitsbereich tätig sein können, jedoch nicht am selben Werkstück arbeiten.
- Kollaboration: Bei der Kollaboration werden von beiden Interaktionspartner zur selben Zeit im selben Arbeitsraum Arbeitsaufgaben durchgeführt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11: Arten von kollaborativer Robotik, eigene Darstellung angelehnt an Bauer, et al. (2006)
Die Darstellung veranschaulicht die fünf verschiedenen Arten der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter. Grundlegend wird zwischen der Arbeit in einer Zelle, koexistenter Arbeit, synchronisierter Arbeit, der Kooperation und der Kollaboration unterschieden. Von hybriden Montagesystemen wird ab dem Zeitpunkt, wo sich der Arbeitsraum von Mensch und Roboter überschneidet, gesprochen. Alle die Arten der Zusammenarbeit, welche zu den hybriden Montagesystemen zählen, sind in der oben angeführten Darstellung (Abbildung 11) rot umrahmt. Es zählen sowohl der synchronisierte, der kooperative und auch der kollaborative Arbeitsplatz zu der hybriden Montage.
3.2 Schnittstellen für die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter
Um eine effiziente Zusammenarbeit zwischen Mensch und Leichtbauroboter zu bewerkstelligen, spielt die Schnittstelle zwischen Mensch und Roboter eine wesentliche Rolle. Die Schnittstellen für die Interaktion zwischen Mensch und Roboter lassen sich in zwei Gruppen gliedern. Eine Variante stellen die Remote-Schnittstellen dar. Hierzu gehören visuelle Schnittstellen, Schnittstellen für die Gestik als auch für die Sprache. Die zweite Gruppe bildet die der physikalischen Schnittstellen, zu welchen haptische Schnittstellen, Head-Mounted-Displays (kurz: HMD) als auch die Force-Feedbacksysteme gehören. Die am häufigsten verwendeten Schnittstellen zur Robotersteuerung sind Teach-Panels oder grafisch aufbereitete Benutzeroberflächen (Krüger et al. 2009. 639f).
Ehrenmann et al. (2001) spricht bei verbalen oder gestengesteuerten Robotersystemen von einer intuitiven Art der Steuerung. Betrachtet man den Einsatzort der Leichtbauroboter, ist jedoch zu bedenken, dass in der industriellen Montage ein erheblicher Umgebungslärm vorherrschen kann. Dieser Umgebungslärm kann bei der verbalen Sprachsteuerung problematisch werden.
4 Anforderungen an den Arbeitsplatz
Autoren wie Wu (1996) sprechen bei der erfolgreichen Implementierung von MRK in der industriellen Montage von drei wichtigen Punkten. Erstens soll die Einführung eines Leichtbauroboters für die MRK nicht zur Verbesserung der Fertigung geschehen, sondern zu der Unterstützung des Menschen. Als zweites nennt er die Kombination der Fähigkeiten von Mensch und Roboter und als drittes wird beschrieben, dass bei der Implementierung einer MRK lediglich kleine Änderungen in der Montagepraxis mit sich gezogen werden sollten.
Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration sind Produktions- und Montageprozesse so gestaltet, dass Mensch und Roboter ihre Arbeitstätigkeiten miteinander ausführen. Der Roboter soll hierbei dem Menschen assistieren und Arbeiten übernehmen, für welche er besser geeignet ist als der Mensch. Durch das Integrieren des Roboters in den Arbeitsraum des Menschen ist durch das Wegfallen des Schutzzaunes ein Berühren von Mensch und Roboter möglich. Dies geht sogar so weit, dass arbeitsbedingte Berührungen wegen ihrer Notwendigkeit eingeplant werden. Um eine Verletzungsgefahr auszuschließen sind technische Sicherheitseinrichtungen und Normen, welche die maximalen Kräfte und Drücke auf Personen festlegen, entwickelt worden. Eine grundlegende Anforderung an einen Arbeitsplatz im Kontext der MRK ist neben der Sicherheit das sinnhafte Aufteilen der Arbeitsinhalte zwischen Mensch und Roboter. Der Fokus bei der Aufteilung liegt beim Roboter auf monotone, leicht ermüdende Arbeiten und schwere Arbeitsschritte. Dies ermöglicht dem Menschen sich auf Tätigkeiten konzentrieren zu können, in welchen er dem Roboter überlegen ist. Dazu zählen Arbeitsgänge mit einem hohen Maß an Flexibilität sowie komplexe und feinfühlige Aufgabestellungen.
Bei der Errichtung eines kollaborativen Arbeitsplatzes ist auf dessen Gestaltung im Kontext des Kollaborationsraum zu achten. Ein wichtiger Punkt hierbei ist der Freiraum am Arbeitsplatz und der Zugang zu diesem. Um das Risiko zu minimieren ist der Kollaborationsraum festzulegen. Dies geschieht mittels einer dreidimensionalen Begrenzung. Es ist darauf zu achten, dass die erforderlichen Freiräume im Arbeitsraum freigehalten werden. Werkzeuge, Ausrüstungsgegenstände oder das Gebäude selbst können ein Hindernis für die MRK darstellen. Zusätzlich können Einflüsse auf den Arbeitsplatz durch die Materiallagerung oder durch die Anforderungen an den Arbeitsablauf entstehen. Neben der Zugänglichkeit des Bedienpersonals ist bei der MRK zu berücksichtigen, dass es Zugangswege geben kann, bei welchen es zu Kontaktszenarien kommen könnte. Hierzu zählen Wege vom Bedienpersonal, die an dem Cobot vorbeiführen als auch die Zugangswege, welche für die Materialbereitstellung notwendig sind. Bei der Anwendung einer MRK sind Stolpermöglichkeiten als potentielle Sturzfaktoren zu beseitigen. Weitere Anforderungen an den kollaborativen Arbeitsplatz stellen die Übergänge dar. Darunter fallen zwei Punkte. Einerseits muss der Start als auch das Ende des kollaborativen Betriebs ersichtlich sein, zweitens ist der Bereich der Kollaboration zu kennzeichnen (ISO TS 15066, 2017-04, 8f).
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- Arbeit zitieren
- Paul Rusch (Autor:in), 2019, Mensch-Roboter-Kollaboration in der industriellen Montage. Einsatzgebiete, Sicherheitsanforderungen und Wirtschaftlichkeit, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/445670
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