Der «Safety First»-Ansatz führt zu sichereren Roboterarbeitsplätzen

Endlich sichere Planungstools für Teamwork von Mensch und «Robby»

Hand in Hand arbeiten und Auge in Auge Blickkontakt halten – Greifer für Mensch-Roboter-kollaborative Anwendungen. Bild: Schunk
Autonom agierende Roboter ohne trennende Schutzzäune: Die sogenannte OmniRob-Plattform dient als Ausgangsbasis für die Flugzeugkomponentenproduktion der Zukunft; konkrete Aufgabenstellungen: Auftragen von Dichtmasse entlang einer Nut, optische Qualitätskontrolle der aufgetragenen Dichtmasse, optische Prüfung geflochtener (kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff-Teile. Bild: Fraunhofer IOSB
Verbundprojekt KLARA (Kleine Autonome Transport- und Handhabungshilfe): Das Assistenzsystem zur Handhabung schwerer Lasten bis 50 kg stellt eine Erweiterung der Arbeitsplatzunterstützung für Arbeitnehmer dar. Bild: Fraunhofer IOSB
Dr. Christian Ehrensberger /

Mensch und Roboter können heute Hand in Hand arbeiten. Dennoch bremsen namentlich Sicherheitsaspekte die Unternehmen bei der Planung solcher Maschine-Roboter-Arbeitsplätze aus. Jetzt aber bekommen Ingenieure die zur Lösung dieses Problems geeigneten Softwaretools und Ablaufpläne an die Hand. Damit steht Mensch und «Robby» ein erweitertes Feld der Zusammenarbeit offen.

Roboter lösen Begeisterung und Ängste zugleich aus. Sie könnten dem Menschen vieles abnehmen: zum Beispiel monotone, konzentrationsintensive, körperlich und psychisch belastende Tätigkeiten. Aber könnte ein System von Robotern die Menschen nicht auch zu blossen Ausführungsgehilfen abstrakter und maschinell erzeugter Befehlskaskaden versklav

Roboter in rauer Umgebung

Grosse Akzeptanz finden Roboter, wenn sie in lebensfeindlichen Umgebungen arbeiten – etwa als «Forscher» auf dem Mars (zum Beispiel der Mars-Rover der NASA), als Atommüll-Beseitiger in radioaktiv verstrahlten Regionen, als Dekontaminationsspezialisten in chemisch oder biologisch verseuchten Arealen (so etwa im Forschungsprojekt Robodekon, koordiniert vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB). Freilich geht es hier nicht um menschenähnliche Roboter wie aus dem Kinofilm, mit Kopf, Armen und Beinen, sondern um autonom fahrende Bagger mit «3D-Blick», aufgabengerechter Sensorik (beispielsweise modifizierte Geigerzähler) und Elementen der Augmented Reality: Vom sicheren Leitstand aus kann ein Mensch durch Gesten den Roboter steuern und dabei über Kamerabilder «mit seinen Augen sehen».

Charakteristisch für diesen Einsatzbereich ist der grosse Sicherheitsabstand für die humanen Mitarbeiter. Für sie bleibt der Roboter ein weit entferntes Remote-System. Es führt gefährliche, teils potenziell todbringende Tätigkeiten aus, kommt mit dem Menschen jedoch erst gar nicht in Berührung.

Roboter im betrieblichen Alltag

Auch beim Einsatz in Industriebetrieben schützt vielfach die räumliche Trennung: hier der Mensch, dort der Roboter. «Aktuell ist es häufig noch der Fall, dass Roboter und Menschen physisch voneinander getrennt sind, so dass keinerlei Kollisionen auftreten können», erläutert Professor Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer, geschäftsführender Leiter des Fraunhofer IOSB und Inhaber des Lehrstuhls für interaktive Echtzeitsysteme am Karlsruher Institut für Technologie. «Dieser Umstand wird aber in einigen Arbeitsbereichen immer mehr verschwinden, bis eine echte Kooperation im Arbeitsalltag sichtbar wird.»

Beyerer zufolge verfügen moderne kollaborative Roboter bereits über Sensoren, die Kollisionen erkennen und Kräfte messen können. Dadurch können Unfälle vermieden und Verletzungsrisiken minimiert werden. Somit können Mensch-Roboter-Kollaborations-Systeme (MRK) mit geeigneter Steuerungssoftware eine höhere Sicherheit erreichen als klassische Roboter und Maschinen. Der moderne «Robby» kann gemeinsam mit Menschen Montageaufgaben ausführen, schwere Gegenstände heben, sich von Hand führen lassen und dabei Arbeitsabläufe erlernen. Er übernimmt eintönige oder körperlich ungesunde Tätigkeiten, sodass sich der Mensch stärker auf sein kreatives Potenzial fokussieren kann.

«In der Forschung arbeitet man zudem an Robotersystemen, die in der Lage sein sollen, Abläufe semantisch zu erkennen und Handlungen des Menschen antizipieren zu können», blickt Beyerer in die Zukunft. «Über eine momentane, situative Sicherheitsroutine hinaus, die Kollisionen und andere unmittelbare Gefahrensituationen erkennt, wird es dann auch Systeme geben, die vorausschauen, planen und mit Etwaigkeiten umgehen können.»

Von der abgesicherten Maschine zum Kollegen

Allerdings steckt die Mensch-Roboter-Kooperation insgesamt noch in den Kinderschuhen. Einen speziellen Berufszweig für die Gestaltung entsprechender Arbeitsplätze gibt es ebenso wenig wie ein standardisiertes oder generalisierbares Vorgehen. Das bedeutet insbesondere, dass die Einhaltung von Sicherheitsvorgaben erst im Nachhinein getestet werden kann und muss. Die verfügbaren Mittel für die Planung von Arbeitsabläufen geben es noch nicht her, kritische Aspekte in diesem Bereich zufriedenstellend im Voraus zu berücksichtigen. Dies führt in Unternehmen zu grossen Unsicherheiten bei Investitionsentscheidungen im MRK-Bereich.

Neue Tools könnten MRK-Einführung beschleunigen

Erste Ansätze für eine stärkere Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten bereits im Planungsstadium gibt es aber. Dazu zählt zum Beispiel das Projekt «Innovative Entwicklungswerkzeuge zur effizienten Planung von industriellen Applikationen mit Mensch-Roboter-Kooperation» des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg und der Elektromotoren und Gerätebau Barleben GmbH (vormals Symacon) in Barleben, ebenfalls in Sachsen-Anhalt. Bei einem der ersten konkreten Vorhaben geht es um Geschwindigkeiten und Abstände, letztlich um einen rechtzeitigen überwachten Halt des Roboters. Auf der Grundlage der Norm ISO/TS 15066 entwickeln die Projektpartner zurzeit ein Basiswerkzeug zur Planung von Roboterzellen mit speziellen MRK-Funktionen – inklusive der relevanten Sicherheitsaspekte. Solche Tools könnten die zukünftige Planung von MRK-Arbeitsplätzen wesentlich beschleunigen und dieser Technologie zum Durchbruch verhelfen. Damit wird «Robby» zum gut kontrollierbaren, allerseits akzeptierten und ganz normalen «Kollegen».