Die Technologie für Industrie 5.0 – resilient, nachhaltig und auf den Menschen fokussiert
Industrie 5.0 ist die jüngste industrielle Revolution, bei der die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Technik zu einem integralen Bestandteil des industriellen Prozesses wird. Durch die Kombination der Flexibilität menschlicher Arbeitskräfte mit fortschrittlicher Technologie werden nachhaltige Industrien geschaffen, von denen Arbeitnehmer, Unternehmen und die Umwelt profitieren.
Bei der Diskussion über Industrie 5.0 wurden drei wichtige Säulen identifiziert: Resilienz, Nachhaltigkeit und Fokussierung auf den Menschen, von denen jede einen anderen Nutzen beschreibt.
Die erste Säule, Resilienz, beschreibt, wie menschliche Arbeitskräfte Flexibilität in die Fabrikhalle bringen. Die Automatisierung hat zu enormen Verbesserungen bei der Fertigung geführt, da sie schnell und präzise ist und so Leistung und Qualität der Produktionslinie erhöht. Automatisierte Systeme sind jedoch nur begrenzt in der Lage, ungewöhnliche Situationen zu bewältigen oder schnell die Rolle zu wechseln. Im Gegensatz dazu kann sich das menschliche Gehirn schnell an neue Umstände anpassen. Dies macht die Produktionslinie resilienter, weil es Flexibilität schafft.
Die zweite Säule von Industrie 5.0 ist die Nachhaltigkeit. Unternehmen werden dazu angehalten, durch Abfallvermeidung und effiziente Energienutzung nachhaltig zu handeln. Industrie 5.0 befasst sich jedoch auch mit der Nachhaltigkeit, indem sie die Auswirkungen der Industrie auf die Gesellschaft berücksichtigt und sich bemüht, resiliente Fabriken zu schaffen, die mit den sich schnell ändernden Anforderungen einer sich wandelnden Welt fertig werden können.
Die letzte Säule ist die Fokussierung auf den Menschen. Sie stellt sicher, dass künstliche Intelligenz (KI) und autonome Roboter keine menschlichen Arbeitskräfte ersetzen. Stattdessen sind KI, Autonomie und Robotersysteme Werkzeuge, die die Fähigkeiten der Arbeitnehmer verbessern und ihnen repetitive oder gefährliche Aufgaben abnehmen.
Industrie 5.0 zielt auch darauf ab, die Ermüdung der Arbeiter zu verringern, die mehr als 40 Prozent der Qualitätsprobleme in modernen Produktionslinien verursacht. [1] Sie ermöglicht es den Arbeitnehmern, durch den Einsatz ihrer individuellen Fähigkeiten und Erfahrungen die größtmögliche Wirkung zu erzielen.
Mit Industrie 5.0 können Unternehmen eine strategische Sichtweise der Nachhaltigkeit einnehmen, damit sie sich unabhängig von der Marktentwicklung anpassen und wettbewerbsfähig bleiben können. Außerdem werden Unternehmen belohnt, die in die Entwicklung und das Wohlergehen ihrer menschlichen Arbeitskräfte investieren.
Insgesamt verschmelzen bei Industrie 5.0 Technologie und Mensch. Um zu verstehen, wie dies umgesetzt wird und welche Vorteile es mit sich bringt, werden in diesem Artikel einige Beispiele für die Einbindung menschlicher Arbeitskräfte in die Produktionslinie betrachtet.
Fallstudie 1: Der Vorarbeiter
Im Gegensatz zu vielen Produktionslinien mit oft fest definierten Funktionen ist die Logistik eine Branche, die schnell und effizient mit Veränderungen umgehen muss. Bei der Lagerautomatisierung und Logistik werden zum Beispiel Roboter eingesetzt, um eingehende Pakete zu kommissionieren und zu sortieren.
Dazu kombiniert der Roboter Sensorik und Bewegung. Eine Kamera erfasst und bewertet alle Pakete auf dem Förderband. In dieser Umgebung sind die Zykluszeiten sehr wichtig: Die Roboter müssen unter Umständen zwischen 25 und 30 Pakete pro Minute bearbeiten. Daher muss die Bildgebung in Sekundenbruchteilen erfolgen. Mit KI-gestützten Edge-Computing-Systemen können die Roboter jedes Paket identifizieren und die richtigen Maßnahmen ergreifen.
Bei einem Konzept, das als überwachte Autonomie bekannt ist, arbeitet ein solches System die meiste Zeit selbstständig und erledigt den Großteil seiner Aufgaben. Es kann jedoch vorkommen, dass die Sensoren eine Szene abbilden, die sie nicht erkennen. Dabei kann es sich um eine neue Verpackungsart oder einen beim Transport beschädigten Karton handeln. Ohne menschliches Eingreifen würde der Prozess stoppen.
In diesem Szenario bietet die Fokussierung auf den Menschen bei Industrie 5.0 einen klaren Vorteil. Der Vorarbeiter erhält eine Warnung, dass das System ein Paket nicht erkennt. Obwohl er per Fernzugriff arbeitet und möglicherweise für viele Maschinen an verschiedenen Standorten verantwortlich ist, kann er eine Ausnahme innerhalb von 10 Sekunden erkennen. Mit ein paar Tastendrucken kann er dem Roboter die richtigen Anweisungen geben, damit der Prozess mit nur minimaler Verzögerung fortgesetzt wird.
Die ungewöhnliche Paketart wird dann in der KI-Datenbank protokolliert, sodass der automatisierte Prozess beim nächsten Mal, wenn die Sensoren darauf stoßen, ohne menschliches Eingreifen damit umgehen kann. Im Idealfall sollte die Anzahl der Ausnahmen im Laufe der Zeit abnehmen, aber sie wird nie null erreichen, da die Versender ständig neue Paketarten einführen.
Im vorherigen Szenario wurde ein Paket, das in einem Pappkarton versandt wurde, nun in einem Kartonumschlag verschickt. Im Gegenzug könnte der Hersteller zu einer Luftpolsterverpackung wechseln. Die Sortierroboter müssen jede neue Verpackungsart neu erlernen, wenn sie eingeführt wird. Darüber hinaus erscheinen einem Menschen Änderungen, wie z. B. eine saisonale Verpackung, einfach, aber der Farbwechsel kann den Roboter verwirren. In jedem Fall kann ein menschlicher Vorarbeiter die Ausnahme in Sekundenschnelle identifizieren und beheben.
Die Technologie, die diese Funktionalität ermöglicht, ist Monteuren in jeder modernen Fabrik vertraut, da eingebettete Bildverarbeitungssysteme heute weit verbreitet sind. Diese eingebetteten Bildverarbeitungskameras ermöglichen eine automatisierte Prüfung direkt an der Produktionslinie. Das System erfasst jeden Artikel über eine spezielle Kamera und vergleicht die Abmessungen der Artikel in Echtzeit mit Standardartikeln. Das System kann fehlerhafte Artikel sofort identifizieren und aussondern oder zur weiteren Prüfung zurückbehalten.
Durch die Kombination von eingebetteten Bildverarbeitungssystemen mit Edge-KI kann das System diese Entscheidungen im Handumdrehen treffen, was für die schnelllebigen und dynamischen Bedingungen in intelligenten Fabriken unerlässlich ist. Diese Sensoren sind über Hochgeschwindigkeitsverbindungen mit dem Netzwerk verbunden, egal ob kabelgebunden oder drahtlos. Steckverbinder und Antennen spielen eine wichtige Rolle, um die Kommunikationslatenz auf ein Minimum zu beschränken, aber der Mensch bleibt eine Schlüsselkomponente im Netzwerk.
Fallstudie 2: Der verstärkte Mensch
Selbst unter menschlicher Aufsicht kann es zu Situationen kommen, in denen intelligente Fabriksysteme nicht autonom arbeiten können. In dynamischen Umgebungen können Roboter die Flexibilität eines menschlichen Bedieners nicht nachahmen. Bildverarbeitungssysteme können durch ungleichmäßige Beleuchtungsänderungen verwirrt werden, und Greifer sind möglicherweise nicht in der Lage, unregelmäßige Objekte zu handhaben.
Um diese Probleme anzugehen, könnten Unternehmen es für effektiver halten, die vorhandenen Arbeitskräfte zu verbessern, anstatt zu versuchen, menschliche Eigenschaften durch Automatisierung zu replizieren. Eine Möglichkeit besteht darin, die Fähigkeiten der Mitarbeiter durch mechanische Geräte wie robotische Exoskelette zu erweitern. Diese elektrischen Geräte werden am Körper getragen und passen sich den Bewegungen des Trägers an. Dabei stabilisiert die Struktur des Exoskeletts den Körper und fängt die Energie auf, die bei der Bewegung des Benutzers entsteht. Ein Netz von Federn und Gurten, das sich den Bewegungen des Benutzers anpasst, verringert die Arbeitsbelastung und Ermüdung und sorgt für einen sichereren und effizienteren Arbeitsplatz.
Mit einem Exoskelett können menschliche Fähigkeiten in den Produktionsprozess eingebunden werden, da es die Erfahrungen und das Situationsbewusstsein des Menschen nutzt, um instinktiv auf unerwartete Situationen zu reagieren. Wäre ein Roboter mit ähnlichen Umständen konfrontiert, müsste die Produktion eventuell gestoppt werden.
Das Exoskelett selbst ist zwar einfach, kann aber mit zusätzlichen Geräten ausgestattet werden. Sensoren, die die Bewegung überwachen, und Schnittstellen wie Augmented-Reality-Anzeigen können dem Träger helfen, seinen Ermüdungsgrad zu erkennen oder Anweisungen für die nächste geplante Aufgabe zu erhalten.
Die Ausrüstung, die dieses Maß an Integration ermöglicht, ähnelt der anderer Wearable-Technologien. Kleine, tragbare Belastungs- und Drucksensoren sowie Beschleunigungsmesser geben dem Benutzer propriozeptives Feedback. Bildverarbeitungssysteme und Anzeigen liefern Informationen an das Visier oder die Schutzbrille des Benutzers, und fortschrittliche Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) ermöglichen dem Benutzer die Interaktion mit anderen Geräten.
Fazit
Die Technologie, die Industrie 5.0 antreibt, hat viele Gemeinsamkeiten mit bestehenden Applikationen, bietet jedoch die Möglichkeit, Menschen in die Automatisierungsumgebung zu integrieren. Durch eine Kombination von Strategien wird der Mensch bei Industrie 5.0 neben der Automatisierung in einer überwachenden Rolle arbeiten oder sogar die Aufgaben von Robotern übernehmen, wenn deren Fähigkeiten begrenzt werden.
Diese Strategien werden mit menschlicher Wahrnehmung unstrukturierte Situationen verstehen und mit Technologien ergänzen, die die Fabrik der Zukunft zu mehr als nur der Summe ihrer Teile machen.