Verbundprojekt ROKOKO

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ROKOKO: Mensch-Roboter-Kollaborationen in der Montage kooperativ und ganzheitlich gestalten#

© Ludmilla Parsyak / Fraunhofer IAO

Kompetenz Montage – kollaborativ und wandlungsfähig (KoMo)

Die Montage industrieller Güter hat in Deutschland einen sehr hohen Wertschöpfungsanteil am Bruttosozialprodukt. Darüber hinaus ist Deutschland im Bereich der Ausrüstung für Montage- und Handhabungstechnik weltweit einer der führenden Anbieter. Aufgrund zunehmend volatiler Märkte, individueller und komplexer Produkte sowie neuer Prozessanforderungen – z. B. durch Industrie 4.0 – ist die Montage besonderen Wandlungsanforderungen ausgesetzt. Wichtig sind deshalb die Entwicklung, Gestaltung und Einführung innovativer Systemlösungen zur Montage komplexer Stückgüter. Dabei stehen die sichere Arbeitsplatzgestaltung und die Kooperation Mensch und Roboter in der Montage im Fokus. Des Weiteren gewinnt die Wandlungsfähigkeit von Montageanlagen zunehmend an Bedeutung, um auf variierende Stückzahlen reagieren zu können und Investitionsrisiken zu minimieren. So wird es zukünftig möglich sein, mit kollaborativen und wandlungsfähigen Montagelösungen, insbesondere klein- und mittelständische Unternehmen Kosten- und Effizienzvorteile zu ermöglichen und die Innovationsführerschaft deutscher Montageanlagenhersteller langfristig zu sichern.

Neue Arbeitsorganisation in der Montage – Helfer gehen zur Hand

Die direkte Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ohne Schutzzaun gewinnt bei der Montage variantenreicher Produkte immer mehr Bedeutung. Die neuen Automatisierungsmöglichkeiten, die sich mit kleinen, kostengünstigen Leichtbaurobotern ergeben, beinhalten jedoch das Risiko, dass ihr Einsatz ausschließlich unter technischen Gesichtspunkten erfolgt. Werden arbeitswissenschaftliche Aspekte außer Acht gelassen, kann es leicht passieren, dass das Mensch-Roboter-System nicht optimal arbeitet. Der erfolgreiche Einsatz hängt somit stark davon ab, ob die  Mitarbeiter bei der Planung und der Optimierung in  der Produktion mit einbezogen werden. Für KMU ergeben sich daher viele Fragestellungen: Welcher Robotertyp soll wo und wie zum Einsatz kommen? Wie aufwändig ist seine Inbetriebnahme und Programmierung? Wie ist die Applikation zu gestalten, dass sie vom Mitarbeiter akzeptiert, von der Berufsgenossenschaft zertifiziert wird und auch noch wirtschaftlich ist?

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Planung, Gestaltung und Betrieb kollaborativer Montagesysteme#

Ziel des Vorhabens ist der Einsatz und die Bewertung von Leichtbaurobotern bzw. -armen, wie z.B. der UR (Universal Robots), LWA 4P (Schunk), iiwa (Kuka), APAS (Bosch), YuMi (ABB) usw., in kollaborativen Montageumgebungen ohne Schutzzaun. Je Anwender werden zwei Anwendungsfälle identifiziert, die mit dem gleichen Leichtbauarm, bewältigt werden können und im Rahmen des angedachten Forschungsvorhabens „Rokoko“ realisiert, zertifiziert und erprobt werden sollen. Da die maximalen Tragkräfte dieser Leichtbauarme zwischen 0,5 und 14 kg liegen, ist eine Verbesserung der Ergonomie bei schweren Lasten nicht das Hauptkriterium für die Auswahl der Anwendungsfälle, sondern die Unterstützung des Mitarbeiters beim Abbau von Kapazitätsspitzen oder die Übernahme von eintönigen, nicht-wertschöpfenden Aufgaben.


 

Folgende Schwerpunkt-Ziele werden verfolgt:

  • Erfassung der Ist-Situation und Status Quo
  • Beschreibung und Klassifikation von Anwendungsfällen
  • Eignungen von Leichtbauarmen
  • Entwicklung ganzheitlicher Methoden zur Bewertung und Gestaltung von MRK
  • Programmierung, Arbeitsinhalte & Belastung
  • Wirtschaftlichkeitsrechnung
  • Abschätzung der Wirtschaftlichkeit in einer frühen Planungsphase
  • Partizipation & Qualifizierungsmaßnahmen
  • Entwicklung einer Vorgehensweise zur Planung sicherer Applikationen
  • Prototypen mit sicherem Greifer in 3 zertifizierten Anwendungen in unterschiedlichen Branchen 

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Rokoko - Arbeitspakete#

Zur Erreichung der genannten Ziele und Ergebnisse in „plawamo“ sind Forschungsarbeiten in nachfolgend beschriebenen Themenfeldern notwendig.

Arbeitspaket 1: Analyse der Anwendungsfälle#

© ZF Friedrichshafen AG

In diesem ersten Arbeitspaket sollen zunächst der aktuelle Stand der Technik zusammengestellt werden. Dazu gehören die verfügbaren Leichtbauroboter, Greifertechnologien und aktuelle Anwendungen der Mensch-Roboter-Kooperation. Darüber hinaus müssen die geltenden Sicherheitsanforderungen und Zertifizierungsvorgänge analysiert und in die Arbeitspakete einbezogen werden.

Ein Schwerpunkt des Arbeitspakets liegt in der Identifizierung und Analyse der ausgewählten Anwendungsfälle der Unternehmen Metabo, Schunk und ZF. Bei den einzelnen Anwendungsfällen wird dabei untersucht, welche Tätigkeiten durch den Mitarbeiter oder ggf. durch andere Betriebsmittel durchgeführt werden, wobei eine grobe Prozessbeschreibung entstehen soll, aus der in AP 2 eine Arbeitsinhaltebildung erfolgen kann. Die personelle und organisatorische Ausgangssituation bei den Anwendern wird erfasst.

Arbeitpaket 2: Gestaltung kollaborativer Montagearbeitsplätze#

© Ludmilla Parsyak / Fraunhofer IAO

Bei der Gestaltung kollaborativer Montagearbeitsplätze sind Parameter wie Arbeitsteilung / Arbeitsinhaltebildung, Materialbereitstellung, Steuerung, Sicherheit, Ergonomie und Wirtschaftlichkeit usw. zu berücksichtigen und auszugestalten. Während die Erfüllung von Sicherheit, Ergonomie und Wirtschaftlichkeit der Applikation unumgänglich sind, bestehen bei der Gestaltung von Arbeitsinhalten, Materialbereitstellung und der Steuerung des Roboters hohe Freiheitsgrade.

Aus einer geeigneten Art der Prozessbeschreibung (AP1), sollen die Tätigkeiten des Menschen und des Roboters abgeleitet werden, wobei sich die Arbeitssituation für den Montagemitarbeiter nicht verschlechtern, sondern im Idealfall sogar verbessern soll. In diesem Arbeitspaket soll eine Methode entwickelt werden, mit der unter Berücksichtigung der Fähigkeiten des LBR die Mensch-Roboter-Schnittstelle in Alternativen gestaltet werden kann. Besondere Beachtung finden hierbei Teilverrichtungen, in denen Mensch und Roboter kollaborativ in einem gemeinsamen Arbeitsraum arbeiten, da hier hohe Anforderungen an die Sicherheit und auch an die Akzeptanz durch den Mitarbeiter gestellt werden.

Arbeitspaket 3: Mitarbeiterzentrierte Konzepte zu Programmierung und Steuerung von LBR#

Nachdem im vorangegangenen Arbeitspaket die Anforderungen an Mensch und Roboter ermittelt und die Arbeitsinhalte der beiden Partner festgelegt wurden, soll in diesem Arbeitspaket die Programmierung des LBR für die Mensch-Roboter-Kollaboration entwickelt werden. Neben der Programmierung soll auch ein Konzept zur Adaption des Roboters an den Menschen erarbeitet werden.

Da ein Fokus dieses Forschungsprojekts auf der Wandlungsfähigkeit des kollaborativen Montagesystems liegt, soll der Roboter nicht lediglich für einen festen Arbeitsplatz programmiert werden, sondern flexibel für verschiedene Prozesse einsetzbar sein. Bei der Programmierung für den flexiblen Einsatz des Roboters in Mensch-Roboter-Kollaborationen muss neben der klassischen Programmierung der Bahn, die Aufteilung der Arbeitsinhalte und vorgegebene Randbedingungen beachtet werden. Um jedoch eine wirtschaftliche Mensch-Roboter-Kollaboration zu erhalten, darf der Aufwand zur Programmierung nicht zu hoch werden. Aus diesen Anforderungen heraus, wird in diesem Arbeitspaket ein Konzept zur Programmierung des Roboters entwickelt.

Um eine für den Menschen akzeptable Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter zu erhalten, sollen während der Kollaboration die Bedürfnisse des Menschen durch Adaption des Roboters betrachtet werden. Durch eine zu entwickelnde Methodik sollen die Bewegungen des Menschen als Montagetätigkeiten identifiziert werden. Dadurch soll der Roboter dazu befähigt werden, auch bei einem Wechsel der Montagereihenfolge weiterhin seine Aufgabe auszuführen, so dass der Mensch ungehindert arbeiten kann. Auch die Ausführungsgeschwindigkeit, die sich in einer Anlernphase oder über den Tag verteilt ändern kann, soll in der Steuerung des Roboters Betrachtung finden, in dem er sich an die Geschwindigkeit des Menschen anpasst.

Arbeitspaket 4: Arbeitsorganisation und Qualifizierungsbedarfe für kollaborative Montageumgebungen#

Der Leichtbauroboter soll nach Bedarf an unterschiedlichen Arbeitsplätzen in der Montage eingesetzt werden. Bedarfe können hierbei Kapazitätsspitzen oder notwendige Assistenzen für Mitarbeiter sein. Alleine die neue Technologie Leichtbauroboter bringt neue Aufgaben und Anforderungen in das Montagesystem, die in einer adäquaten Arbeitsorganisation bearbeitet werden müssen. Die zusätzliche Anforderung nach unterschiedlichen Einsatzplätzen für den LBR erhöht die Komplexität der Planung für den Einsatz des LBR und stellt auch hier neue, zusätzliche Aufgaben in das Montagesystem.

Aus dem gesamten Aufgabenspektrum des kollaborativen Montagesystems werden Alternativen für die Arbeitsorganisation entwickelt, die ganzheitlich auf ihre Wirkungen für Mensch, Technik, Organisation und Wirtschaftlichkeit bewertet werden. Bei der Ausgestaltung werden die unterschiedlichen Ebenen der Unternehmen adäquat eingebunden. Je nach gewählter Arbeitsorganisation leiten sich unterschiedliche Qualifizierungsbedarfe für die Mitarbeiter ab. Auf Grundlage der gewählten Arbeitsorganisation werden sich verändernde Arbeitsanforderungen, Aufgaben und Rollen für Planer, Fachkräfte und Werker abgeleitet, hieraus sind zukünftig erfolgskritische Kompetenzen zu identifizieren. Durch einen Vergleich mit den verfügbaren Kompetenzen wird der zukünftige Qualifizierungsbedarf ermittelt.

Mit den Leichtbaurobotern bietet sich den Unternehmen die Chance Arbeit im Montagesystem für gestufte Qualifikationsprofile anzubieten und die Arbeit qualifikations- und persönlichkeitsförderlich zu gestalten.

Arbeitspaket 5: Partizipativer Planungs- und Umsetzungsprozess#

Es ist bekannt, dass eine Integration der Mitarbeiter (Monteure, Gruppenleiter, Planer, Instandhalter, usw.) in den Planungsprozess zu einer höheren Akzeptanz des realisierten Arbeitsplatzes führt. Als Beispiel kann für die direkten Mitarbeiter die Methode des Cardboard-Engineerings und für die indirekten Mitarbeiter Rollen- und Planspiele genannt werden.

Es wird eine Vorgehensweise mit Methoden und Hilfsmitteln entwickelt, mit der die wesentlich Beteiligten Mitarbeiter partizipativ am Planungs- und Umsetzungsprozess teilhaben und Know-how aus dem jeweiligen Bereich einbringen können. Notwendige Qualifikationen werden in diesen Rahmen eingebunden.

Arbeitspaket 6: Demonstratoren, Anwendungsfälle und sicherer Greifer#

Je Anwender sollen im Rahmen von „Rokoko“ zwei Anwendungsfälle ausgewählt, prototypisch umgesetzt und bis zur Applikationszertifizierung gebracht werden. Hierdurch wird die Evaluation und Anwendung der erarbeiteten Konzepte sichergestellt bzw. überprüft. Die Evaluation erstreckt sich auf die Methoden, Instrumente, Vorgehensweisen und technischen Realisierungen anhand von Feedbackbögen, Befragungen/Workshops und Probandentests. Bei der Auswahl der Anwendungsfälle sollen unterschiedliche Kollaborationsszenarien abgedeckt werden. Die Fa. Schunk wird sich in der Rolle als Greiferhersteller mit der Entwicklung sicherer und zertifizierfähiger Greifer beschäftigen.

Arbeitspaket 7: Wirtschaftlichkeitsbewertung#

Leichtbauroboter bieten, mit ihren flexiblen Einsatz-Möglichkeiten, den geringen Eigengewichten, sowie der Option ohne Schutzzaun oder andere aufwändige Schutzmaßnahmen in der Montage eingesetzt zu werden, optimale Voraussetzungen für einen temporären, ortsflexiblen und variablen Einsatz in einem Montagesystem. Temporär, da der LBR eingesetzt wird; wenn ein gewisser Bedarf besteht (Ka-pazität, MA-Unterstützung, o.ä.). Ortsflexibel, da die Arbeitsorte nach Bedarf besetzt werden können und variabel, da sich die Montageeinhalte des Roboters über die Zeit oder über die Varianz der Produkte verändern können.

Der flexible Einsatz der Leichtbauroboter kommt vor allem KMUs entgegen, da diese häufig stark schwankenden Stückzahlen oder ausgeprägte Varianten mit unterschiedlichen Arbeitsinhalten in ihren Produkten verzeichnen. Hier soll ein LBR, dessen genereller Einsatz entsprechend vorgeplant ist, kurzfristig als zusätzliche Kapazität „einspringen“ können. Entweder als kollaborativer Kollege, als automatisierter Arbeitsplatz in der Prozesskette oder als Aufstockung in einer mannlosen Schicht. Wenn der Bedarf nicht mehr besteht, kann der LBR an einem anderen Platz oder für ein anderes Produkt eingesetzt werden.

Die Investition in einen LBR muss im Unternehmen, wie alle anderen Investitionen, auf Ihre Wirtschaftlichkeit hin überprüft werden. Die klassische Wirtschaftlichkeitsrechnung, wie sie für einen stationären Roboterplatz in der Montage relevant ist, kann hier nicht angewendet werden, da die zeitliche Begrenztheit des Robotereinsatzes und verschiedene Einsatzorte hierbei nicht berücksichtigt werden.

Es soll ein einfaches KMU-taugliches Verfahren zur Betrachtung der Wirtschaftlichkeit von LBR bei temporärem Einsatz entwickelt werden.

Die neue Wirtschaftlichkeitsbewertung ist notwendig, um eine Grundlage für richtige Entscheidungen in die MRK-Technologie treffen zu können.

Arbeitspaket 8: Toolbox für den kooperativen und kollaborativen Einsatz von LBR in Montagesystemen#

Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Vorgehensweisen, Methoden und Hilfsmitteln sowie von Leitlinien für die Planung und den Betrieb flexibler und wandlungsfähiger hybrider Montagesysteme beim Einsatz von Leichtbaurobotern. Der geplante Leitfaden, der zum Beispiel als VDMA-Leitfaden veröffentlicht werden könnte, fasst die in den vorhergegangenen Arbeitspaketen entwickelten Methoden zusammen und soll damit als Handlungsempfehlung für die Einführung einer Mensch-Roboter-Kooperation im Unternehmen dienen. Der Leitfaden beschreibt den Prozess zur Planung und Inbetriebnahme der Mensch-Roboter-Umgebung beginnend mit der Prozessanalyse und fasst die oben beschriebenen Vorgehensweisen, Methoden und Hilfsmittel zusammen und stellt diese zur Verfügung. Zusätzlich zu dem Leitfaden sollen weitere Tools zur Unterstützung der Einführung einer Mensch-Roboter-Kooperation zur Verfügung gestellt werden.

Arbeitspaket 9: Koordination und Öffentlichkeitsarbeit#

Die Projektkoordination und Verwertung der Ergebnisse umfasst im Wesentlichen folgendes:

- Organisation und Dokumentation von Verbundsitzungen bei den Partnerfirmen

- Koordination der Prototypenerstellung über die verschiedenen Partner hinweg

- Laufendes Projektmanagement, Dokumentation und Berichterstellung

- Öffentlichkeitsarbeit und Veröffentlichungen

- Austausch mit anderen Projekten im Themenfeld kollaborative Montagesysteme der Ausschreibung.

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Wesentliche Ergebnisse und Toolbox#

Wesentliche Ergebnisse im Verbundprojekt sind:

  • Erweitertes Portfolios der Systemintegratoren (HandlingTech, Schnaithmann und MRK-Systeme) um „kollaborierende Montageumgebungen“
  • Sicherheitskonzeptes, inklusive sicherem Greifer (Schunk), für jeweils eine ausgewählte Montageapplikation bei den Anwendern Metabo, Schunk und ZF
  • Zertifizierte ausgewählten Montageapplikationen durch die BGHM
  • Methoden und Vorgehen zur Gestaltung kollaborativer Montagearbeitsplätze
  • Vorgehensweise und Methoden zur Planung der Arbeitsorganisation und der notwendigen Qualifizierungen für kollaborative Montageumgebungen
  • Vorgehensweise und Methoden für einen partizipativen Planungs- und Umsetzungsprozess
  • Entwicklung einer KMU-gerechten Methode zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit und des Nutzens bei temporärem LBR-Einsatz
  • Zusammenfassung und Bereitstellung der Methoden in einer Toolbox.
 
Toolbox - Download der Tools
Im folgenden sind die Vorgehensweise bei der Planung sowie die Tools zur Abschätzung der erforderlichen Investitionen und der Roboterzeit für eine Montagetätigkeit für die Anwendung in einer frühen Planungsphase zum Download bereitgestellt.

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Fraunhofer IGCV#

Julia Berg

julia.berg@igcv.fraunhofer.de 

HandlingTech - Automations-Systeme GmbH#

Vikktor Berns

viktor.berns@handlingtech.de

MRK-Systeme GmbH#

Michael Mohre

michael.mohre@mrk-systeme.de

Schnaithmann Maschinenbau GmbH#

Volker Sieber

sieber@schnaithmann.de

ZF Friedrichshafen AG#

Stefan Petermaier

stefan.petermaier@zf.com

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Zu dem Themenfeld „Kompetenz Montage – kollaborativ und wandlungsfähig (KoMo)“ wurde am 16./17. Februar 2016 ein Ideenwettbewerb durchgeführt. In 9 Verbundprojekten werden verschiedene Lösungen zu kollaborativen wandlungsfähigen Montagesystemen erarbeitet, die produzierenden Unternehmen helfen sollen, ihr Unternehmen rasch an sich wandelnde Umfeldbedingungen anzupassen.

•      Sechs Verbundprojekte entwickeln Lösungen für kollaborative Montagesysteme.

•      Drei Verbundprojekte befassen sich mit der Gestaltung und Optimierung wandlungsfähiger Montageanlagen.

ARIZ#

Im Verbundprojekt ARIZ (Arbeit in der Industrie der Zukunft) werden am Beispiel der industriellen Montage komplexer Produkte die vielfältigen Interaktionsmöglichkeiten zwischen Mensch und Technik und deren Auswirkung auf die Arbeitswelt untersucht.

freeMoVe#

Wandlungsfähige Montage in frei vernetzten Montagesystemen

KoKoMo#

Konsolidierung von Lebenszyklusinformationen für die kollaborative Montage variantenreicher Produkte

KoMPI#

Verrichtungsbasierte, digitale Planung kollaborativer Montagesysteme und Integration in variable Produktionsszenarien

KUKoMo#

Neue Konzepte zur Umsetzung von kollaborativen Montagesystemen für kleine und schwankende Produktionsstückzahlen sowie deren erfolgreiche Einführung in KMU

MIKROKOMO#

Methodische Werkzeuge zur Erhöhung der Wandlungsfähigkeit von Mikromontage-Anlagen bei Entwicklung, Konfiguration und Monitoring

ProMoA#

Produktbasierte automatische modellbasierte Anlagenentwicklung

SafeMate#

Einführung sicherer und akzeptierter Kollaboration von Mensch und Maschine in der Montage