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Automatisierungsoffensive der Autobauer

Die dritte Hand

| Autor/ Redakteur: Robert Weber / Robert Weber

Die Autoindustrie zählt zu den wichtigsten Kunden der Roboterbauer. Neben dem klassischen Industrieroboter verkaufen sich in Zukunft vor allem intelligente Helfer für die Montage. Und auch das Handwerk ist an der Technik interessiert.

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Die Automobilindustrie investiert in die Robotik – klassisch, aber auch mit neuen Ideen und Einsatzszenarien.
Die Automobilindustrie investiert in die Robotik – klassisch, aber auch mit neuen Ideen und Einsatzszenarien.
(Bild: ABB, Kuka, Yaskawa, Universal Robots, pockygallery11, Smileus - Fotolia.com)

Bei dem ein oder anderen Kuka-Aktionär knallten Anfang Februar die Sektkorken. Auslöser für die Freude war ein Bericht der „Welt am Sonntag“ über die Automatisierungs- und Digitalisierungsoffensive von Volkswagen (VW). Kuka, der Augsburger-Roboter- Lieferant der Wolfsburger, habe gute Chancen, beim Umsatz und Ergebnis in den kommenden Jahren in neue Dimensionen vorzustoßen, schrieben daraufhin die Aktienanalysten. Kuka hat das, was VW braucht: eine neue Generation von Robotern. Die Bayern definieren diese als Produktionsassistenten. In den Anfängen der Automatisierung von Produktionsstraßen setzten viele Autobauer auf starre Vollautomatisierung. Das war damals sinnvoll, denn die Volatilität der Märkte war kaum ausgeprägt und die Variantenvielfalt um ein Vielfaches geringer. Heute und morgen wollen die Autobauer hin zur flexiblen Arbeitsteilung zwischen Mensch und Roboter. „Damit eröffnen sich neue Wege in der roboterbasierten Automatisierung, die zusätzlich zum klassischen Industrieroboter entstehen“, heißt es bei Kuka. Zu Deutsch: Der Roboter rückt mit dem Werker an die Montagelinie. Hier war der Automatisierungsgrad bisher verschwindend gering.

Die Paartherapie für Werker und Roboter

Kuka schielt vor allem darauf, den Leichtbauroboter LBR iiwa zu verkaufen (Leichtbauroboter, intelligent industrial work assistant). Die Entwicklung ist mit sieben Achsen dem menschlichen Arm nachempfunden und kann in Positions- und Nachgiebigkeitsregelung betrieben werden, verkünden die Augsburger stolz. Diese kombiniert mit integrierter Sensorik verleiht dem Leichtbauroboter eine programmierbare Feinfühligkeit. In einer Präsentation heißt es: „Seine hoch performante Kollisionserkennung und eine integrierte Gelenkmomentensensorik in allen Achsen prädestinieren den LBW iiwa für feinfühlige Fügeprozesse und ermöglichen den Einsatz einfacher Werkzeuge.“ Manch ein Entwickler spricht schon von der dritten Hand des Werkers.

Aber die Fabrik braucht weiter den Mensch, denn „Roboter arbeiten sehr genau, können problemlos schwere Lasten bewegen und sind unermüdlich. Situationen bewerten und eigene Entscheidungen treffen können sie bisher aber nur sehr eingeschränkt“, erklärt Dr. Gerhard Rinkenauer von der Projektgruppe „Moderne Mensch-Maschine-Systeme“ am Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der Technischen Universität Dortmund. Rinkenauer und sein Team wollen die Stärken von Mensch und Roboter kombinieren. Das will man bei Kuka auch. Mensch und Roboter ergänzen sich ideal, schreibt das Unternehmen. Die Dortmunder forschen an einer Paartherapie für Roboter und Mensch. „Wir bedienen uns der nonverbalen Kommunikation, um die Interaktion zwischen Mensch und Maschine zu verbessern. Es gibt Forschungsansätze, bei denen aufgrund von Bewegungsmustern auf Absichten und innere Zustände des menschlichen Mitarbeiters rückgeschlossen werden kann. Solche Informationen könnte beispielsweise der Roboter nutzen, um sich an das Verhalten des Mitarbeiters anzupassen. Umgekehrt ist zu erwarten, dass ein Roboter mit menschlichen Bewegungseigenschaften durch den Menschen besser interpretiert werden kann und ihm erlaubt, sich an das Verhalten des Roboters anzupassen. Mensch und Maschine würden sich durch solche Ansätze aufeinander zu bewegen. Wir setzen daher auf die Kooperation zwischen Psychologie, Informatik und Ingenieurswesen. Unser Ziel ist es, Nutzerprofile zu modellieren, die dem Roboter zur Verfügung gestellt werden und anhand dieser er dann seine Entscheidungen bezüglich der Interaktion mit dem Menschen trifft. Durch eine verbesserte Kommunikation und ein zunehmendes gegenseitiges Verständnis kann sich das Beziehungspaar Mensch und Maschine dann auch besser aneinander anpassen“, meint Rinkenauer. Die Zukunft könnte so aussehen: Im System sind die Leistungsdaten, das Alter, die körperliche Verfassung und weitere Eigenschaften des Kollegen hinterlegt. Der Roboter soll erkennen, wie es seinem Gegenüber geht. Angenommen, der Mitarbeiter legt in der Frühschicht mehrere Pausen ein, die laut Profil unüblich für ihn sind, dann weiß der Roboter, das sein Gegenüber müde ist oder aus anderen Gründen ein Leistungstief hat und reagiert darauf, indem er beispielsweise seine Interaktion mit dem Mitarbeiter verlangsamt. Andere Möglichkeiten wären auch, die Umgebung anzupassen, indem der Blauanteil im Licht erhöht wird, um die Müdigkeit zu vertreiben. Die Nutzerprofile müssen im Vorfeld mit den Menschen entwickelt werden.

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„Ein erstes grobes Nutzerprofil eines Mitarbeiters könnte mit Hilfe von Fragebögen erstellt werden. Für das Erlernen und Interpretieren von Nutzerverhalten sind dann jedoch Methoden des maschinellen Lernens erforderlich. Hier wird das Verhalten des Nutzers kontinuierlich, beispielsweise über visuelle Sensoren, registriert und mit Hilfe intelligenter Algorithmen interpretiert und erlernt. Dadurch entsteht dann ein verfeinertes, individuelles Nutzermodell, das es erlaubt, das Verhalten des Nutzers innerhalb des Arbeitskontexts vorherzusagen“, erklärt der Wissenschaftler Rinkenauer.

Mehr Zusammenarbeit von Mensch und Maschine

In den USA scheint der Weg zur Paartherapie schon beschritten worden zu sein. Im BMW-Werk Spartanburg arbeiten Mensch und Roboter in der Türmontage ohne Schutzzaun als Team. Das Werk ist die erste BMW Automobilfertigung weltweit, in der eine direkte Mensch-Maschine-Kooperation in der Serienproduktion realisiert werden konnte. Vier kollaborative Roboter von Universal Robots fixieren die Schall- und Feuchtigkeitsisolierung auf der Türinnenseite für X3 Modelle. Die Folie mit der Kleberaupe wird zuvor von Mitarbeitern aufgelegt und nur leicht angedrückt. Bislang führten anschließend Mitarbeiter den Fixierprozess manuell mit einem Handroller aus. Nun übernehmen die Automaten mit Rollköpfen am Roboterarm diese Kräfte zehrende Arbeit, die präzise ausgeführt werden muss. Die Dichtung schützt die Elektronik in der Tür und den Fahrzeuginnenraum vor Feuchtigkeit.

Der Audi-Roboter arbeitet mit Kamera und Saugnapf

Zwei Jahre Entwicklungszeit stecken in dem Projekt. Offiziell heißt es: „Die erfolgreiche Umsetzung einer ergonomischen Mensch-Roboter-Kooperation in der Serienfertigung bedeutet für die BMW Group einen wichtigen Schritt auf dem Weg zum Automobilbau der Zukunft und in die Welt der Industrie 4.0.“ Und die Mitarbeiter? „Die Mitarbeiter empfinden die Zusammenarbeit als sehr positiv, da ihnen die Roboter schwere körperliche Arbeiten abnehmen“, berichtet die BMW-Pressestelle. Auch in Deutschland könnten Werker in naher Zukunft mit dem Universal Robots-System zusammenarbeiten. Der Rollout der bestehenden Anlage in andere Werke ist in Planung, bestätigt das Unternehmen. Auch 80 km weiter nördlich von München glaubt man an die Mensch-Maschine-Zusammenarbeit. Für Dr. Hubert Waltl, Produktionsvorstand der Audi AG, eröffnen Mensch-Roboter-Kooperationen ganz neue Möglichkeiten: „Die zunehmende Vernetzung von Mensch und Maschine wird die Fabrik der Zukunft prägen. Sie gibt uns die Chance, anstrengende Routinetätigkeiten zu automatisieren und ergonomisch ungünstige Arbeitsplätze zu optimieren.“ Eine menschenleere Fabrik werde es aber auch zukünftig nicht geben. „Der Mensch wird weiterhin die Entscheidung über die Fertigungsvorgänge treffen“, verspricht Waltl. Um den Roboterbetrieb in direktem Kontakt zum Menschen zu erlauben, hat bei Audi die MRK-Systeme als Systemintegrator die Safe-Interaction-Technology entwickelt, als Option für den Kleinroboter KR 5 ARC HW. Das Sicherungssystem basiert auf fünf Funktionsmechanismen:

  • Sichere Überwachung der Roboterbewegung in Bezug auf erlaubte Arbeitsräume und Geschwindigkeiten (Kuka Safe Operation);
  • Gleichmäßiges Abbauen der im Roboter gespeicherten kinetischen Energie durch eine dämpfende Schutzhülle an exponierten Stellen des Roboters;
  • Auslösen eines Stopps (Kat. 0; DIN EN 60204-1) durch sicherheitsgerichtete, taktile Schaltelemente;
  • Auslösen eines Stopps (Kat. 2) durch kapazitive Näherungssensoren und
  • Absicherung des Werkzeugs durch einen lösbaren Zwischenflansch (Auslösen eines Stopps nach Kat. 1).

Für die Mitarbeiter der A4/A5/Q5-Montage im Ingolstädter Audi-Werk bedeutet die Kooperation zwischen Mensch und Roboter eine Erleichterung.Bislang mussten sie sich in Materialboxen beugen, um die Kühlmittelausgleichsbehälter zu greifen. Ein Arbeitsschritt, der bei häufiger Wiederholung jedoch schnell zu Rückenbeschwerden führen kann. Diesen Arbeitsumfang übernimmt der Roboter. Er arbeitet mit den Audi-Mitarbeitern Hand in Hand und ist mit einer Kamera sowie einem integrierten Saugnapf ausgestattet. Damit holt er Bauteile direkt aus den Ladungsträgern und reicht sie dem Mitarbeiter – ohne Schutzabtrennung, zur richtigen Zeit und in einer ergonomisch optimalen Position. Zusammenarbeit mit dem Roboter heißt aber auch, den Roboter zu kennen und ihn auch bei Problemen warten zu können. Auch daran arbeitet die Industrie zusammen mit der Wissenschaft. Die Programmierung soll vereinfacht und auch die Wartung von Werkern übernommen werden können. Das erleichtert den Einsatz der Technik.

Und die Kosten? „Roboter, die direkt mit Menschen zusammenarbeiten, werden teurer sein, denn in ihnen steckt mehr visuelle Sensorik und mehr haptische Sensorik (Berührungssensorik), beispielsweise über eine Art Hautoberfläche. Darüber hinaus ist wesentlich mehr Rechenleistung erforderlich, um eine individualisierte, adaptive Interaktion mit menschlichen Kollegen leisten zu können“, prophezeit Wissenschaftler Rinkenauer.

Doch ein höherer Preis schreckt die Autobauer nicht ab. Die Vorteile überwiegen. Das freut die Roboterbauer doppelt, denn mit den neuen Robotern tun sich auch neue Märkte auf. elektrotechnik erfuhr, dass das Handwerk schon seit einiger Zeit auf die neuartigen Roboterlösungen wartet. Die Robotik-Aktionäre dürfen weiter feiern und ihre Anteilsscheine erstmal auf „Hold“ belassen.

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