Mensch-Roboter-Kollaboration: Wie wir in Zukunft mit dem Roboter zusammenarbeiten werden

Der Mensch arbeitet mit dem Roboter zusammen, ohne Schutzzaun, ohne Trennung. Das ist die einfachste Definition von Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK). Die Mensch-Roboter-Kollaboration steht damit am Ende einer Reihe von unterschiedlichen Stufen, wie Mensch und Maschine miteinander interagieren können:

• Strikte Trennung der Arbeitsbereiche: In klassischen Industrieanlagen waren und sind Robotersysteme strikt von den menschlichen Arbeitern getrennt. Sie haben eine eigene Zelle, die klar durch einen Schutzzaun abgegrenzt ist und die der Mensch im Regelfall nicht betritt. Sollte dies doch passieren, wird der Betrieb eingestellt.
• Koexistenz: Bei der Koexistenz entfällt der Schutzzaun. Dennoch haben Mensch und Maschine unterschiedliche Arbeitsbereiche. Sie arbeiten nicht zusammen.
• Kooperation: Bei der Kooperation teilen sich Mensch und Industrieroboter einen Arbeitsraum. Allerdings arbeiten sie nicht gemeinsam an einem Produkt, sondern zeitversetzt.
• Kollaboration: Hier arbeiten Mensch und Roboter Hand in Hand. Sie haben einen gemeinsamen Arbeitsraum und arbeiten gleichzeitig am selben Bauteil.

Vorteile der Mensch-Roboter-Kollaboration

Gleichzeitig werden die Mitarbeitenden in der Produktion entlastet: Robotersysteme können lästige, ergonomisch ungünstige und damit anstrengende Arbeiten übernehmen, wie zum Beispiel das Heben von Lasten oder das Über-Kopf-Arbeiten. So wird die Gesundheit der Mitarbeitenden geschont. Die Arbeiter können sich stattdessen auf komplexere Aufgaben konzentrieren, für die ihre menschliche Expertise gefragt ist.

Nachteile der Mensch-Roboter-Kollaboration

Doch auch das beste System hat Nachteile: Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration heißt Effizienz nicht immer maximale Geschwindigkeit. Da Mensch und Maschine hier eng zusammenarbeiten, muss das Robotersystem Rücksicht auf den Menschen nehmen und gegebenenfalls die Geschwindigkeit reduzieren, um das Verletzungsrisiko für die menschlichen Kollegen zu minimieren. Doch durch intelligente Softwaretechnik und ein gutes Safety Engineering lassen sich diese Nachteile abschwächen.

Um die Einschränkungen bei der Mensch-Roboter-Kollaboration möglichst gering zu halten und die Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, forscht das Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS an »Adaptive Safety«. Gemeint sind hiermit Methoden und Algorithmen, die in Verbindung mit Sensoren und Aktoren eine anpassungsfähige Sicherheit ermöglichen. Statt statischen Safety-Funktionen sollen in Zukunft adaptive Safety-Funktionen Anwendung finden.

Ein Beispiel: Eine statische Safety-Funktion folgt dem Prinzip »Wenn die Schutztür geöffnet wird, dann Anlage stoppen.« Bei einer adaptiven Safety-Funktion sieht das dagegen so aus: »Wenn die Schutztür geöffnet wird, dann unmittelbaren Bereich in den reduzierten Betrieb fahren. Alle anderen Bereiche normal betreiben.«

Für unterschiedliche Anwendungsgebiete gibt es hier unterschiedliche Szenarien, wie Adaptive Safety umgesetzt werden kann. Ein kollaborierender Roboter, auch Cobot genannt, kann über Drehmomente oder Energieverbrauchsmessungen an den Achsmotoren erkennen, ob ein Hindernis im Weg ist. Auch Kameras oder eine künstliche Haut ermöglichen es dem System, zu erkennen, wann es beispielsweise eine Person berührt. Adaptive Safety geht aber noch einen Schritt weiter: Durch intelligente Software kann der Roboter das Verhalten der Menschen schon im Vorhinein einschätzen und seine Bewegungen so hinsichtlich der notwendigen Safety-Anforderungen planen. Möglich wäre beispielsweise eine Optimierung der Fahrroute oder eine Anpassung der Geschwindigkeit, auch bei fahrerlosen Transportsystemen.

Ein weiterer kritischer Punkt in der Produktion ist der Eingriff im Produktivbetrieb, wenn beispielsweise ein Sensor nachjustiert, aber die aktuelle Charge weiterverarbeitet werden muss. Durch Adaptive Safety des Fraunhofer IKS muss die Maschine nicht die komplette Produktion stoppen. Dank sensorbasierter Überwachung sichert sie nur den Bereich ab, in dem der Mensch arbeitet. Verlässt der Mensch diese Zone wieder, stellt die Maschine automatisch auf Normalbetrieb um.

Die Vision des Fraunhofer IKS sind kognitive Produktionsanlagen und Fabrikhallen: In einer kognitiven Fabrikhalle sind alle Objekte, Menschen wie Maschinen, lokalisierbar und ihre Intention erkennbar. Mensch und Roboter können so effizient, sicher und kollaborativ arbeiten.