Die Mensch-Roboter-Interaktion (MRI) mit den Interaktionsformen der Koexistenz, Synchronisation, Kooperation und Kollaboration bietet durch die Steigerung der Produktivität und Qualität sowie durch die Verbesserung der Ergonomie Potenziale zur Optimierung von Montageprozessen. Für Unternehmen mit überwiegend manuell geprägten Montageabläufen besteht jedoch Unsicherheit bei der Implementierung von MRI-Applikationen, da diese Potenziale nur unzureichend durch digitale Planungswerkzeuge im Vorfeld ermittelt und abgesichert werden können. Der Lehrstuhl für Produktionssysteme (LPS) an der Ruhr-Universität Bochum erforscht neue Wege, um MRI-Applikationen frühzeitig im Planungsprozess durch Simulation zu untersuchen und zu bewerten.

Neue Simulationsansätze für die MRI
Im Rahmen des Verbundforschungsprojektes KoMPI (gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung) werden zusammen mit den Projektpartnern neue Simulationsmöglichkeiten für die MRI erforscht. Hierbei wird die Integration von Automatisierungsfunktionalitäten basierend auf dem offenen Framework Robot-Operating-System (ROS) in das bestehende proprietäre Softwaretool Editor menschlicher Arbeit (EMA) der Firma imk automotive erforscht. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der realitätsnahen Bahnplanung, einer integrierten Greif- und Sensorsimulation, der kollisionsfreien Simulation der Mensch-Roboter-Bewegungen sowie der Synchronisation verschiedener Teilprozesse. Eine realitätsnahe Simulation der MRI mit kollisionsfreier Bahnplanung liefert bereits während der Planung und weit vor der eigentlichen Inbetriebnahme der Applikation zuverlässige Informationen, beispielsweise über die Zykluszeit und technische Machbarkeit, welche etwa für die Prozess- und Layoutgestaltung herangezogen werden.

Augmented Reality als Ergänzung
Neben der reinen Simulationsumgebung bildet die Augmented Reality (AR) eine sinnvolle Ergänzung bei der Arbeitssystemgestaltung mit MRI. Die in der Simulationsumgebung modellierten Montagesysteme und -prozesse werden dafür auf eine entsprechende AR-Applikation übertragen. Mit mobilen Endgeräten oder AR-Brillen kann nun im bestehenden realen Arbeitssystem der zukünftige MRI-Arbeitsplatz vom operativen Mitarbeitenden und den Planungsverantwortlichen betrachtet werden. Auch das Bewegungsverhalten des Roboters kann exakt nachvollzogen und Abläufe im Zusammenspiel zwischen Mensch und Roboter getestet und die Raumaufteilung im neu gestalteten Arbeitssystem erfahrbar gemacht werden.

Die Visualisierung von virtuellen Schutzzäunen liefert für die Sicherheitsauslegung der Anwendung wertvolle Informationen. Ein nicht zu unterschätzender Vorteil ist, dass die Mitarbeitenden in der Montage selbst den zukünftigen Assistenten „Leichtbauroboter“ (LBR) hierdurch kennenlernen und noch in der Planungsphase Einfluss nehmen können. So kann beispielsweise gemeinsam entschieden werden, wo der Roboter positioniert werden sollte, damit er für die Mitarbeitenden als Unterstützung wahrgenommen wird. Denn letztendlich entscheidet die Akzeptanz der Mitarbeitenden mit über den Erfolg einer implementierten MRI-Applikation.

Robotergestütztes Setzen von Reihenklemmen
Der LPS betreibt in seiner Lern- und Forschungsfabrik ein Montagesystem für Klemmenleisten. Durch eine MRI-Potenzialanalyse für den Einsatz von kollaborativen LBR ist das Montieren von Endhalterklemmen als ein geeignetes Einsatzszenario für die MRI identifiziert worden. Dabei setzt zunächst der LBR sämtliche Endhalterklemmen auf die Hutschiene. Im Anschluss übernimmt und komplettiert der Mitarbeitende die vormontierte Baugruppe, während der LBR bereits die nächste Klemmenleiste vorbereitet. Das Setzen von Endhalterklemmen erfordert eine Kraft von über 200 Newton, sodass der Roboter den Mitarbeitenden erheblich entlastet. Zusätzlich werden die Endhalterklemmen ohne Messfehler, die im manuellen Prozess auftreten können, durch den Roboter montiert. Somit entfällt das Einmessen von Anfangs- und Zwischenmaßen, was den Bestückungsprozess deutlich beschleunigt.

Die MRI-Anwendung ist zunächst in einer Simulation modelliert und optimiert worden. Hierbei konnten die Applikation auf Zykluszeiten, etwaige Kollisionen und Montagereihenfolgen hin untersucht und angepasst werden. Im nächsten Schritt wurde die Applikation für eine AR-Betrachtung übertragen, um die Interaktion zwischen Mensch und Roboter in der Realumgebung zu betrachten. Schließlich ist ein Demonstrator entstanden, um die Machbarkeit das Sicherheitskonzept an Musterprodukten zu testen. Im nächsten Schritt wird die Applikation in den Realbetrieb des Montagesystems am LPS überführt und mit den in der Simulation ermittelten Ergebnissen abgeglichen, um Rückschlüsse für weitere Verbesserungen der digitalen Werkzeuge am LPS ziehen zu können.

Die bisherigen Forschungsaktivitäten des LPS haben gezeigt, dass der Erfolg einer MRI-Applikation eng mit der frühzeitigen Planung und Absicherung des neu gestalteten Arbeitsplatzsystems verknüpft ist. Hierbei leisten Simulationssysteme einen entscheidenden Beitrag, um Potenziale zu erkennen, Sicherheitskonzepte zu bewerten und Fehler zu vermeiden, noch bevor in neue Systeme investiert werden muss. Die Augmented Reality bildet eine sinnvolle Ergänzung, vor allem wenn Mitarbeitende in den Planungsprozess eingebunden werden sollen, um die Akzeptanz von MRI erheblich zu steigern. Noch sind diese Systeme hauptsächlich in der Forschungsumgebung zu finden, die hohe Relevanz für Anwendungen in der Industrie ist aber bereits heute zu erkennen.

M. Linsinger, K. Lemmerz, B. Kuhlenkötter/as

Lehrstuhl für Produktionssysteme (LPS) © LPS

Kurz erklärt: Der LPS
Der Lehrstuhl für Produktionssysteme (LPS) wird von Prof. Dr. Bernd Kuhlenkötter geleitet. Die wissenschaftliche Ausrichtung des LPS umfasst die Themenfelder Produktionsmanagement, Produktionsautomatisierung und Industrielle Robotik. Der LPS betreibt eine Lern- und Forschungsfabrik (LFF), in der die theoretischen Konzepte umgesetzt und evaluiert werden. Durch diese Demonstrationen der Ergebnisse fördert der LPS den Technologie-Transfer in die Wirtschaft.

Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) © MHI e.V.

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de.