Mensch-Maschine-Kollaboration: Eine Industrie-5.0-Fertigungslösung

Kollaborative Roboter, so genannte Cobots, erwecken die Industrie 5.0 zum Leben. Diese interaktiven Roboterarme erfüllen die wachsende Nachfrage nach Fertigungstechnologien, die über die Optimierung der Automatisierung hinausgehen und die Mensch-Roboter-Beziehung in den Vordergrund stellen. Während sich die Industrie 4.0 stark auf komplexe Lösungen wie Big Data und das Internet der Dinge stützte, legt die Industrie 5.0 hochentwickelte Technologien direkt in die Hände der Bediener. Im Gegensatz zu den traditionellen Industrierobotern, die von ihren Kollegen isoliert waren, sind Cobots so konzipiert, dass sie mit Menschen zusammenarbeiten. Cobots eignen sich hervorragend für die Arbeit in gemeinsam genutzten Räumen, um sich wiederholende Aufgaben wie „Pick and Place“, Palettierung, empfindliche Montagevorgänge und Applikationen, die eine Pfadplanung erfordern, zu automatisieren.

Die Beliebtheit von Cobots stieg während der COVID-19-Pandemie sprunghaft an, als die Hersteller einen plötzlichen Mangel an Fachkräften erlebten. Fabriken, die sich für Automatisierung interessierten, aber noch keine Lösungen implementiert hatten, setzten Cobots als leicht programmierbare und schnell einsetzbare erste Automatisierungslösung ein. Angesichts der noch nie dagewesenen Umstände boten Cobots eine kosteneffiziente Lösung für den Arbeitskräftemangel, da sie schnelle Ergebnisse und eine flexible Automatisierung lieferten und gleichzeitig die Sicherheit der menschlichen Arbeitskräfte gewährleisteten. Die Integration hat seither aufgrund der wertvollen Vorteile von Cobots an Dynamik gewonnen. Dazu gehören die Weiterbildung von Arbeitskräften, die Produktionssteigerungen, die Gewährleistung der Sicherheit der Mitarbeiter und die Vereinfachung komplexer Applikationen und Programmierungen.

Weiterbildung der Arbeitskräfte und Produktionssteigerung

Cobots verkörpern den Industrie-5.0-Ansatz der Mensch-Roboter-Kollaboration, und ihre Integration bietet Herstellern fortschrittliche operative Möglichkeiten. Mit einer kleineren Belegschaft können Fabriken höherwertige Waren herstellen und die Produktionskapazität steigern, so dass die Geschäftsleitung zusätzliche Personalressourcen für strategischere Aufgaben einsetzen kann. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anlagen, die Aufgaben mit hoher Variabilität und geringem Durchsatz erledigen, wo die Flexibilität und Manövrierfähigkeit von Robotern die betriebliche Effizienz erheblich steigern.

In einer Anlage zur Montage von Sanitärarmaturen waren beispielsweise zahlreiche Mitarbeiter damit beschäftigt, Dichtungsmasse auf die Gewinde der einzelnen Rohre aufzutragen, bevor diese mit anderen Bauelementen verbunden wurden. Dieser wichtige Prozess gewährleistete wasserdichte Verbindungen zwischen den Teilen. In der Fabrik wurden Tausende von Rohren in verschiedenen Größen, Stärken und Kombinationen verarbeitet. 

Durch die Einführung von Robotern, die einen großen Teil dieser Aufgabe übernehmen, konnte das Werk seine Mitarbeiter für einen effizienteren und wertorientierten Prozess einsetzen. Der Arbeitgeber beauftragte einige Mitarbeiter mit der Überwachung der Cobots, damit die Klebstoffdicke genau auf die Gewinde aufgetragen wurde. Andere Bediener arbeiteten direkt mit den Cobots zusammen, teilten sich die Aufgabe und beschichteten manuell Rohre, die nicht für die Aufnahme durch die Rohrleitungsvorrichtung geeignet waren. Die Geschäftsleitung qualifizierte weitere Mitarbeiter für strategischere Aufgaben wie die Programmierung von Robotern zur erneuten Bereitstellung oder eine verbesserte Qualitätskontrolle.

Während des gesamten Prozesses hing der Erfolg von fachkundigen Bedienern ab, die über umfassende Kenntnisse des Beschichtungsprozesses verfügten, um das Cobot-Programm aufzubauen und den Betrieb der Cobots zu überwachen. Letztendlich entwickelte sich das, was früher eine Routineaufgabe war, die von einer großen Belegschaft ausgeführt wurde, zu einer gemeinsamen Anstrengung zwischen einer kleineren Gruppe von Bedienern und Cobots, was zu einem höheren Personalwert sowie einer verbesserten Produktqualität und -kapazität führte.

Gewährleistung der Sicherheit der Mitarbeiter

Herkömmliche Industrieroboter sind eine andere Art von Mitarbeitern. Sie sind ihren menschlichen Kollegen an Kraft und Leistung überlegen. In der Vergangenheit trennten die Hersteller Industrieroboter aus Sicherheitsgründen von Menschen, wodurch das Potenzial für eine Zusammenarbeit entfiel. Heute sind Cobots in Übereinstimmung mit Branchenstandards mit fortschrittlichen Technologien ausgestattet, die eine sichere Interaktion mit menschlichen Mitarbeitern in gemeinsam genutzten Umgebungen gewährleisten.

So sind beispielsweise Drehmomentsensoren strategisch in jedes Achsgelenk des Roboters integriert, um bei Mensch-Roboter-Interaktionen Rückmeldungen zu geben. Diese Sensoren spielen eine entscheidende Rolle dabei, dass die Bediener sicher mit und um einen Roboter herum arbeiten können. Wenn beispielsweise ein Mensch unerwartet mit einem Roboter in Berührung kommt, erkennen die Drehmomentsensoren den Kontakt und reduzieren sofort die Kraft und Geschwindigkeit des Roboters. Durch seine Positions- und Nachgiebigkeitskontrolle kann ein Roboters empfindliche Bauelemente ohne Quetsch- und Schergefahren handhaben.

Die Integration künftiger Technologien könnte jedoch neue Sicherheitsaspekte mit sich bringen und gleichzeitig die Interaktivität von Robotern verbessern. Die Integration von künstlicher Intelligenz, die dem Bediener wertvolle Vorschläge unterbreiten kann, öffnet die Tür für Cyber-Sicherheitsbedrohungen wie den unbefugten Zugriff auf personenbezogene oder vertrauliche Geschäftsdaten.

Insgesamt bieten Cobots zwar erhebliche Vorteile in Bezug auf Fähigkeiten und Effizienz, doch ihre sichere Integration in menschliche Arbeitsumgebungen erfordert kontinuierliche technologische Weiterentwicklungen.

Vereinfachung komplexer Applikationen und Programmierung

Im Vergleich zu früheren Industrieroboterlösungen bieten Cobots den Herstellern eine benutzerfreundlichere und leichter programmierbare Automatisierungslösung. Die fortschrittliche Hard- und Software der Cobots macht selbst die komplexesten Applikationen und Programmierungen für ein breites Spektrum von Standorten zugänglich, von kleinen Produktionslinien bis hin zu großen Fertigungsanlagen.

Eine bekanntermaßen schwierige Aufgabe für Roboter ist die Entnahme eines bestimmten Gegenstands an einer zufälligen Position aus einem Behälter. Während diese Aufgabe für Menschen einfach zu sein scheint, stellt sie für Roboter eine große „intellektuelle“ Herausforderung dar. Die Ingenieure rüsten die Roboter mit einer Kamera aus, die Bilder vom Inhalt des Behälters aufnimmt. Das Kamerasystem verwendet fortschrittliche Techniken und Algorithmen des maschinellen Lernens, um die genaue Position des gewünschten Teils innerhalb des Behälters zu ermitteln, und überträgt diese Positionsdaten an den Roboter. Der Roboter nimmt dann einen Greifer oder einen anderen Endeffektor, um das Teil aus dem Behälter zu entnehmen und an die nächste Station zu bringen.

Die Cobot-Entwicklung ist auch ein Schritt in Richtung Vereinfachung von komplexer Programmierung, wodurch industrielle Automatisierungslösungen für Bediener zugänglicher werden. Traditionell erforderte die Komplexität von Robotern und ihren Applikationen eine spezielle Programmierung durch erfahrene Techniker. Im Gegensatz dazu konzipieren die Ingenieure Cobots so, dass sie von jedem Bediener programmiert werden können, was eine schnelle Bereitstellung ermöglicht. Cobots verwenden eine baumbasierte Programmiersprache mit einem Drag-and-Drop-System in einer intuitiven Benutzeroberfläche, die eine einfache Programmerstellung und kurze Bereitstellungszeiten ermöglicht. Der Bediener kann den Cobot über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, das sogenannte Programmierhandgerät, programmieren und reparieren (Abbildung 1).

 
Abbildung 1: Ein Bediener kann mit einem Programmiergerät einen Cobot programmieren oder reparieren. Das Gerät leitet ihn Schritt für Schritt durch den Vorgang. (Quelle: Ridvan/stock.adobe.com)

Ein Beispiel für ein Programmierhandgerät, mit dem der Bediener ein Programm erstellen kann, ist der von KUKA entwickelte „Commander“, eine handgroße druckempfindliche Box, die sich auf dem Roboter befindet. Bei diesem Verfahren greift der Bediener den „Commander“, positioniert den Roboterarm und wählt die Punkte aus, die einen Pfad für die gewünschte Applikation definieren. Diese Funktion ist besonders praktisch, wenn der Roboter einen Pfad für eine Applikation wie Schweißen oder Kleben abfahren soll. In Zukunft wird die Programmierung eines Roboters vielleicht gar keine Programmierung mehr erfordern. Stattdessen könnten die Bediener ein System von Symbolen und Vorlagen nutzen, um vorprogrammierte Funktionen auszuführen, was die Bereitstellung noch effizienter und intuitiver machen würde.

Fazit

Ein Cobot ist eine transformative Industrie-5.0-Technologie, die die Fähigkeiten der Belegschaft verbessert, die Produktqualität und -kapazität erhöht, die Sicherheit der Mitarbeiter in den Vordergrund stellt sowie Hardware- und Softwareprobleme vereinfacht. Durch die Integration von Cobots in Fabriken können Hersteller ihre Mitarbeiter für strategischere Aufgaben einsetzen und die Produktion weiter optimieren. Um eine sichere Zusammenarbeit zu gewährleisten, sind Cobots mit fortschrittlichen Sicherheitstechnologien ausgestattet.

Darüber hinaus zeichnen sich Cobots durch ihre Benutzerfreundlichkeit aus, da sie neue Hardware- und Softwaretechnologien nutzen, um komplexe Applikationsherausforderungen zu bewältigen und die Programmierung durch jeden Bediener zu ermöglichen. Da die Entwicklung von Industrie-5.0-Technologien die Hersteller dazu bringt, intelligentere Automatisierungslösungen zu verlangen, die die Beziehung zwischen Mensch und Maschine verbessern, werden Cobots weiterhin mit Sicherheit, Anpassungsfähigkeit und Benutzerfreundlichkeit für die Nutzer attraktiv sein.