Keine Angst vorm Kollegen Roboter: In der BIBA-Forschungshalle hat der Aufbau des Demonstrators für das Projekt "Autonomes Assistenzsystem zur Unterstützung von MRK-Montageprozessen" (AutARK) begonnen. BIBA/Aaron Heuermann

Keine Angst vorm Kollegen Roboter: In der BIBA-Forschungshalle hat der Aufbau des Demonstrators für das Projekt „Autonomes Assistenzsystem zur Unterstützung von MRK-Montageprozessen“ (AutARK) begonnen. BIBA/Aaron Heuermann

„Klassische“ Roboter arbeiten in Käfigen, denn in der Produktion ist eine enge Hand-in-Hand-Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter (Mensch-Roboter-Kollaboration) bisher kaum möglich – wird aber zunehmend gebraucht. Das Forschungsprojekt „Autonomes Assistenzsystem zur Unterstützung von MRK-Montageprozessen“ (AutARK) sucht hier Lösungen.

Autonom, körpernah, sensorbasiert und systemneutral

Der Demonstrator des Vorgängerprojektes „Integrierte Schutz- und Sicherheitskonzepte in Cyberphysischen Arbeitsumgebungen“ (InSA) im BIBA. AutARK baut unter anderem auf Ergebnisse aus dem Projekt.

Der Demonstrator des Vorgängerprojektes „Integrierte Schutz- und Sicherheitskonzepte in Cyberphysischen Arbeitsumgebungen“ (InSA) im BIBA. AutARK baut unter anderem auf Ergebnisse aus dem Projekt. BIBA

Aufgabe des Projekts ist es, ein autonomes körpernahes sensorbasiertes und systemneutrales MRK-Assistenzsystem zu entwickeln. Dies beinhaltet zum einen eine autonome körpernahe Sensorik. Dazu gibt es Versuche mit Formsensoren, die die Position und Bewegungen von Armen und Beinen überwachen – eine Art Motion Capturing vom Arbeiter. Diese Sensoren lassen sich beispielsweise in die Arbeitskleidung integrieren oder per Klettverschluss flexibel daran anbringen. Um den Werker nicht durch Kabel zu behindern, sollen diese Sensordaten per WLAN übertragen werden, wobei noch die Frage nach den Prüfmechanismen bezüglich der Sicherheit im Raum steht. Außer gibt es eine kabelgebundene roboter- beziehungsweise maschinennahe Sensorik, die zusammen mit der körpernahen Sensorik ein Sensorframework ergibt.

Dieses verarbeitet die Sensordaten mithilfe intelligenter Algorithmen und liefert sicherheitsrelevante und unterstützende Informationen zurück. Das Assistenzsystem lernt also permanent dazu (maschinelles Lernen). Mit diesem System soll der Roboter seine Bewegungsabläufe ohne Unterbrechung des Produktionsprozesses anpassen können und in einer Gefahrensituation, etwa wenn sich ein Werker schnell dem Roboter nähert, ad hoc stehenbleiben, so dass der Menschen nicht gefährdet wird. Ziel der Forscher ist, den Roboter aus seinem Käfig herauszuholen und ihn direkt mit den Monteurinnen und Monteuren zusammenarbeiten zu lassen. Dies soll Prozesse innerhalb verschiedener Anwendungsfälle besonders in klein- und mittelständischen Unternehmen (KMU) vereinfachen und die MRK in der industriellen Montage wirtschaftlich nachhaltiger gestalten. Zudem soll das Assistenzsystem zu weniger Unterbrechungen in Montageprozessen führen und so Kosten reduzieren und die Effizienz in der Produktion steigern.

Anwendung in der Transformatoren-Montage

Beim Anwendungspartner Block Transformatoren-Elektronik sollen Roboter zukünftig auch Lasten von über 100 kg in Zusammenarbeit mit dem Menschen bewegen.

Beim Anwendungspartner Block Transformatoren-Elektronik sollen Roboter zukünftig auch Lasten von über 100 kg in Zusammenarbeit mit dem Menschen bewegen. Block

Beispielsweise erfordert beim Anwendungspartner Block Transformatoren-Elektronik die Montage von Transformatoren einerseits manuelle Feinarbeit. Andererseits müssen Bauteile wie Spulen mit einem Gewicht von bis zu 27 kg und Transformatorenbleche für den bis zu 160 kg schweren Kern präzise gehandhabt und ohne Beschädigungen verbaut werden. Gewichte, die für die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf Dauer belastend sind oder nicht ohne Kran bewegt werden dürfen. Hier könnte ein körpernah arbeitender Roboter helfen, die körperlich anstrengenden oder ergonomisch ungünstigen Belastungen sowie den zeitlichen Aufwand zu reduzieren.

Insbesondere für Roboter mit mittleren Traglasten besteht Bedarf nach größeren Kollaborationsgraden, das heißt nach einer Minimierung des Sicherheitsabstands zwischen Mensch und Roboter. Bislang ist dies überwiegend nur bei Robotern mit geringen Traglasten möglich. Eine Herausforderung hierbei ist auch das Erfüllen der Sicherheitsanforderungen an kollaborierende Industrierobotersysteme.

Mehr aus den Daten machen

Aus den Daten der körpernahen Sensorik lassen sich ebenfalls Rückschlüsse auf die Haltung des Arbeiters ziehen. Daher sollen Machine-Learning-Algorithmen diese Daten per Process Mining in der Cloud analysieren. Muss sich ein Werker beispielsweise bei einem Arbeitsschritt immer bücken, könnte der Roboter darauf „reagieren“, indem er das Werkstück zukünftig höher hält. Dazu BIBA-Forscher und -Projektleiter Aaron Heuermann „Durch unsere Entwicklung sollen die Arbeitsbedingungen an ergonomisch ungünstigen Arbeitsplätzen verbessert und die Zusammenarbeit mit Robotern bereits von der Ausbildung an gefördert werden.“

Herausforderung: Sicherheit

„Eine besondere Herausforderung sind die sehr hohen Ansprüche an die Sicherheit“, erklärt Heuermann. „Hier können wir unter anderem auf unsere Forschungsergebnisse aus dem Vorgängerprojekt Integrierte Schutz- und Sicherheitskonzepte in Cyberphysischen Arbeitsumgebungen (InSA) bauen.“ Anfang Februar wurde ein kollaborativer Roboter für den Forschungsdemonstrator des Projekts in Betrieb genommen. Außerdem steht den Projektpartnern für ihre Forschungen in der BIBA-Halle auch ein größerer Industrieroboter zur Verfügung. Bereits im Sommer 2020, so der Plan, will das Projektteam demonstrieren, wie die entlastende, sichere Hand-in-Hand-Zusammenarbeit von Mensch und Maschine in der Montage künftig aussehen kann.

Das Projekt hat einen Gesamtumfang von 1,9 Millionen Euro und wird mit knapp 1,3 Millionen Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Projektträger des im BMWi-Programm Digitale Technologien für die Wirtschaft (PAiCE – Platforms, Additive Manufacturing, Imaging, Communication, Engineering) eingegliederten Vorhabens ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). In einem zweijährigen Vorhaben arbeiten neben dem Bremer Institut für Produktion und Logistik (BIBA) die Partner Pumacy Technologies (Berlin/Bremen, Koordinator), Arend Prozessautomation (Wittlich) und Block Transformatoren-Elektronik (Verden) zusammen.