Kollaborative Robotikanwendungen an Montagearbeitsplätzen

Rusch, Tobias; Ender, Hannah; Kerber, Florian Article — Published Version Kollaborative Robotikanwendungen an Montagearbeitsplätzen HMD Praxis der Wirtschaftsinformatik Provided in Cooperation with: Springer Nature Suggested Citation: Rusch, Tobias; Ender, Hannah; Kerber, Florian (2020) : Kollaborative Robotikanwendungen an Montagearbeitsplätzen, HMD Praxis der Wirtschaftsinformatik, ISSN 2198-2775, Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden, Vol. 57, Iss. 6, pp. 1227-1238, https://doi.org/10.1365/s40702-020-00677-w This Version is available at: https://hdl.handle.net/10419/288671 Standard-Nutzungsbedingungen: Die Dokumente auf EconStor dürfen zu eigenen wissenschaftlichen Zwecken und zum Privatgebrauch gespeichert und kopiert werden. Sie dürfen die Dokumente nicht für öffentliche oder kommerzielle Zwecke vervielfältigen, öffentlich ausstellen, öffentlich zugänglich machen, vertreiben oder anderweitig nutzen. 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Juli 2020 / Angenommen: 12. Oktober 2020 / Online publiziert: 30. Oktober 2020 © Der/die Autor(en) 2020 Zusammenfassung Im Rahmen des Forschungsprojektes SynDiQuAss wird untersucht, wie Assistenzsysteme an bisher wenig automatisierten Arbeitsplätzen zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen von WerkerInnen sowie zur Produktivitätssteigerung eingesetzt werden können. Kollaborative Robotersysteme ermöglichen neue Gestaltungsmöglichkeiten gerade in Montageprozessen. Anhand des Anwendungsbeispiels eines Getriebeherstellers wird in diesem Beitrag die Applikation eines kollaborierenden Systems für die variantenindividuelle Kleinserienmontage betrachtet. Als wesentliche Herausforderungen werden dabei die Schnittstellenkonzeption einer datengestützten Integrationsplattform für digital vernetzte Assistenzsysteme sowie die sichere Interaktion zwischen Mensch und Roboter in beschränkten Kollaborationsräumen diskutiert. Anhand des Anwendungsbeispiels werden daraus Auslegungskriterien und -empfehlungen für die Integration kollaborativer Roboter in ein spezifiziertes Gesamtsystem an Montagearbeitsplätzen abgeleitet. Schlüsselwörter Kollaborative Robotik · Sichere Mensch-Maschine Interaktion · Integrationsplattform · Montagesysteme T. Rusch () · H. Ender · F. Kerber Technologietransferzentrum Nördlingen, Hochschule für angewandte Wissenschaften Augsburg, Emil-Eigner-Str. 1, 86720 Nördlingen, Deutschland E-Mail: tobias.rus[email protected] H. Ender E-Mail: [email protected] F. Kerber E-Mail: [email protected] K 1228 T. Rusch et al. Collaborative Robotics Application in Assembly Workplace Abstract The research project “SynDiQuAss” investigates how assistance systems can be used at predominantly manual assembly workplaces to improve the working conditions of workers and increase productivity. Collaborative robot systems offer new design possibilities, especially in assembly processes. Based on the application example of a transmission manufacturer, this paper considers the integration of a collaborative system for the assembly of individualized products of small lot sizes. The main challenges range from the definition of universally applicable interfaces to connect a data-driven software platform for digital assistance systems to the safe interaction between man and robot in limited collaboration spaces. Based on the application example, criteria and recommendations of how to successfully integrate collaborative robots into a specified overall assembly system are derived. Keywords Collaborative robotics · Safe Human-Machine-Interaction · Vision guided robotics · Assembly systems 1 Einleitung Gerade kleine und mittelständische Unternehmen des produzierenden Gewerbes müssen sich in Zukunft in Deutschland auf veränderte Rahmenbedingungen einstellen. Zu den zehn Megatrends, welche die Rahmenbedingungen und die Märkte für die Produktion nachhaltig ändern, zählen unter anderem die Globalisierung, neue Technologien, dynamische Produktlebenszyklen und die dadurch entstehenden volatilen Märkte sowie der demografische Wandel (Abele und Reinhart 2011). Der stets steigende Bedarf an kundenindividuellen Produkten ist verantwortlich für dynamische Produktlebenszyklen, reduzierte Stückzahlen, stark ansteigende Produktvarianzen, wodurch die Komplexität der Produktionsplanung und -prozesse stetig zunimmt (Reinhart 2017). Dabei rücken insbesondere Montageprozesse in den Vordergrund. Diese beanspruchen je nach Branche und Produkt zwischen 15 und 70% der Gesamtfertigungszeit und wurden überwiegend als teuerster Herstellungsprozess identifiziert (Lotter 2012). Abhängig vom Automatisierungsgrad lassen sich automatische, halbautomatische und manuelle Montagesysteme untergliedern, wobei Letztere bei höchsten Anforderungen an Flexibilität und gleichzeitig geringsten Investitionsmitteln Anwendung finden (Lotter 2012). Dennoch bietet gerade die manuelle Montage ein hohes Potenzial für die Bewältigung der sich ändernden Rahmenbedingungen für produzierende Unternehmen. In der manuellen Montage steht der Mensch im Mittelpunkt. Die bislang überwiegend manuell von qualifizierten Facharbeitern durchgeführten Prozessschritte können zukünftig durch kognitive und physische Assistenzsysteme unterstützt werden, so dass die Fähigkeiten des Menschen vorteilhaft mit den besonderen Eigenschaften von Maschinen kombiniert werden (Apt et al. 2018). Gerade im Bereich der kollaborativen Robotik kommt es dabei zu stetigen Neuund Weiterentwicklungen. Kollaborative Roboter, kurz Cobots, ändern grundlegend die Art und Weise, wie Menschen und Maschinen im Fertigungsbereich zusammenarbeiten. Diese ZuK Kollaborative Robotikanwendungen an Montagearbeitsplätzen 1229 sammenarbeit ermöglicht es Herstellern und Arbeitern in der Industrie, die Stärke, Reproduzierbarkeit und Kontinuität von Maschinen mit der Flexibilität, Anpassungsfähigkeit und Intelligenz von Menschen zu verknüpfen. Im Ergebnis kann dies zu Produktivitätssteigerungen und Qualitätsverbesserungen führen, während gleichzeitig die körperliche und mentale Belastung der Produktionsmitarbeiter reduziert wird. Dies erleichtert es produzierenden Unternehmen zudem, die Herausforderungen des demographischen Wandels zu meistern (Adam et al. 2019). 2 Stand der Technik kollaborativer Robotersysteme Bei kollaborativen Robotern handelt es sich um speziell für die Kollaboration konstruierte und gestaltete Roboter. Sie zeichnen sich durch ein geringes Eigengewicht, einfache Programmierbarkeit sowie integrierte Sicherheitsfunktionen und Sensorik für den Einsatz ohne physisch trennende Schutzeinrichtungen aus (Malik und Bilberg 2019). Mittlerweile sind zahlreiche Systeme für den kollaborativen Betrieb in der Produktion kommerziell erhältlich. Dabei kann zwischen Industrierobotern, die mit spezieller Sensorik wie z.B. kapazitiven Schutzhäuten ausgestattet werden und die Kollaborationsform der kontinuierlichen Geschwindigkeitsund Abstandüberwachung nutzen, sowie Cobots, deren Sicherheit durch die Leistungsund Kraftbegrenzung gewährleistet wird, unterschieden werden (Robla-Gómez et al. 2017). Daneben gewinnen zunehmend auch Pflegeund Serviceroboter an Bedeutung, die ebenfalls die Kriterien eines kollaborativen Robotersystems entsprechen (Buxbaum 2020). Insgesamt stieg nach den Zahlen der International Federation of Robotics die Anzahl installierter Cobots von 2017 bis 2018 um 23% (IFR 2019). Bekannt ist die kollaborative Robotik besonders aus Industrie und Logistik. Cobots werden vor allem in der Automobilund Elektroindustrie eingesetzt, wobei die Materialflussteuerung ein immer attraktiverer Anwendungsbereich für die MenschRoboter-Kollaborationen wird. Im Rahmen des digitalen Wandels wird erwartet, dass kollaborative Roboter vermehrt in bereits etablierten sowie neu entstehenden Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind der Einsatz des ABB YouMi in der Kleinteilmontage eines tschechischen ABB-Werks für Niederspannungsprodukte sowie MRK-Systeme in Klebeanlagen der Firma Dürr (Maier und Steil 2018;Xiao2020). Die typischen Aufgaben der Cobots liegen in der Handhabung z.B. zur Objektübergabe, einfachen Fertigungsaufgaben wie Fügeoder Klebeprozessen, seltener auch in der Durchführung komplexerer Fertigungsverfahren wie Schweißanwendungen. Grundsätzlich gilt, dass ein Roboter umso einfacher einzusetzen ist, je weniger Fingerfertigkeit erforderlich wird (Buxbaum 2020). Aufgrund der meist simplen Endeffektoren können Arbeitsbereiche, die eine hohe Feinmotorik benötigen, momentan nur eingeschränkt automatisiert werden. Dieses Hindernis schränkt bis heute die vollständige Automation in der Montage ein. Trotz der mittlerweile umfassenden Normengrundlage besteht großer Bedarf an praktisch anwendbaren Auslegungsempfehlungen für kollaborative Roboterapplikation. Nutzer müssen deshalb bislang immer noch Einzelfallanalysen für die Auswahl und sichere Umsetzung von Applikationen durchführen. Dies erschwert gerade für KMUs, die meist nur wenig Expertise im Bereich der Sicherheitstechnik und Auslegung von RoK 1230 T. Rusch et al. boterapplikationen haben, den Einsatz neuer Technologien. Erschwerend wirkt sich zudem die typischerweise hohe Variantenvielfalt der zu montierenden Produktfamilien aus. Diese erfordert die steuerungstechnische Vernetzung von Assistenzsystemen wie dem kollaborativen Roboter und den Datenaustausch mit IT-Systemen anderer Unternehmensbereiche im Sinne des Referenzarchitekturmodells der Industrie 4.0. Im Folgenden werden ein Lösungsansatz für diese zentralen Herausforderungen präsentiert und Empfehlungen für die Übertragung auf andere Anwendungsszenarien und Branchen formuliert. 3 Integration kollaborativer Robotiksysteme an Montagearbeitsplätzen Digital vernetzte Assistenzsysteme können kognitive und physische Unterstützung leisten, um Montageabläufe zu verbessern. Basierend auf der Analyse existierender Systemarbeitsplätze, die bei kleinen und mittelständischen Unternehmen bereits eingesetzt werden, entwickelt das Projekt SynDiQuAss eine Spezifikation für standardisierte Montagearbeitsplätze, die aufgrund ihres modularen Aufbaus mit Unternehmensplanungssystemen sowie Entwicklungswerkzeugen vernetzt werden können und die flexible Integration von Assistenzsystemen ermöglichen. Zentraler Bestandteil ist eine im Projekt entwickelte Softwareplattform, der sowohl die datenals auch aktorgetriebene Repräsentation des Montageprozesses ermöglicht und die steuerungstechnischen Schnittstellen zu den Assistenzsystemen bereitstellt (Sochor et al. 2019). Die digitale Arbeitsanweisung als Repräsentation eines Aktivitätsdiagramms (sogenannte Editor-Funktion) wird darin ebenso wie die Interaktionsmöglichkeiten mit den Assistenzsystemen definiert. Die Visualisierung während des Montagevorgangs wird variantenindividuell angepasst (sogenannte Assistentenfunktion) und beinhaltet auch eine Kommentierfunktion für Monteure als Datenbank für ein Wissensmanagementsystem (Rusch et al. 2020). Die Softwareplattform wird als lokale Instanz am jeweiligen Montagearbeitsplatz installiert und mit der ITArchitektur des Unternehmens verknüpft. Abb. 1zeigt, welche allgemeinen Schnittstellen der Assistent/Editor als Integrationsplattform implementiert und welche Daten anderer Unternehmensbereiche dabei ausgetauscht werden. Die Schnittstelle zum ERP-System wird für das Benutzerrollenund Berechtigungskonzept sowie auftragsbezogene Daten wie die ProduktID, Stückzahl etc. benötigt. Entwicklung und Konstruktion liefern produktbezogene Konstruktionsdaten wie CAD-Modelle (Explosionsdarstellung, Schnittund Zusammenbauzeichnungen), Stücklisten, Werkzeuglisten zur Erstellung der Montagesequenz im Editor und zur Bereitstellung kognitiver Assistenzfunktionalitäten im Assistenten. Zur Dokumentation und Nachverfolgbarkeit individueller Qualitätsdaten wie Prüfprotokollen und Messergebnissen wird die dritte Schnittstelle zum Qualitätsmanagement genutzt. Logistik und Arbeitsvorbereitung werden für Assistenzfunktionalitäten beim Kommissionieren ebenfalls mit der Softwareplattform vernetzt. Die Schnittstellenspezifikation ist systemunabhängig formuliert, setzt jedoch voraus, dass die anzubindenden Unternehmensfunktionen über digitale Datenstrukturen verfügen. Der modulare Aufbau der Softwareplattform ermöglicht es hierbei, FunkK Kollaborative Robotikanwendungen an Montagearbeitsplätzen 1231 Abb. 1 Schnittstellen der Softwareplattform tionalitäten wie die Kommissionierassistenz und zugehörigen Systemkomponenten wie AR-Brillen individuell anzubinden. 3.1 Modularer Systemarbeitsplatz mit Kollaborationsräumen Als Anwendungsbeispiel wird ein im Rahmen des Forschungsprojekts SynDiQuAss entworfenes kollaboratives System zur Kleinserienmontage von Getrieben betrachtet. Bei dem zu montierenden Getriebe handelt es sich um ein geschlossenes Getriebe, dass aus mehreren Einzelteilen besteht und zum Schutz abschließend mit einer Dichtraupe versehen wird. Kundenindividuelle Getriebevarianten werden in Kleinserie als Sequenz manueller Handhabungs-, Fügeund Qualitätsprüfschritte montiert. Für den mechanischen Aufbau des standardisierten Systemarbeitsplatzes wird ein modularer Aufbau vorgeschlagen, wie er auch bei Rusch und Kerber (2019) beschrieben ist. Jeder Bereich des Arbeitsplatzes wird für einzelne Aktivitäten im Montageprozess genutzt und der Arbeitsplatz so in spezielle Module aufgeteilt, siehe Abb. 2. Dabei ist Modul 1 der ausschließlich für manuelle Tätigkeiten reservierte Arbeitsbereich des Werkers, in den der Roboter aufgrund seiner Sicherheitskonfiguration nicht eindringen kann (vgl. 4.1). Dort befinden sich die für die Getriebemontage benötigten Gehäuseteile, die von der Arbeitsvorbereitung bereitgestellt werden. Modul 3 enthält einen fahrbaren Aufbau für alle Normteile, die in Kleinladungsträgern sortiert sind. Der Cobot nutzt die Arbeitsfläche von Modul 2 sowie den kugelscheibenförmigen kollaborativen Arbeitsbereich in Modul 3. K 1232 T. Rusch et al. Abb. 2 Module und Arbeitsbereiche (Grau: Arbeitsbereich Roboter, Rot: Kollaborationsraum, Grün: Schutzzonen) 3.2 Universelle Schnittstelle für Peripheriegeräte zur hybriden Assistenz Für die Integration physischer und kognitiver Assistenzsysteme verfügt die Softwareplattform über eine universelle Schnittstelle auf Basis eines TCP/IP-Protokolls, die die grundlegende Kommunikation zwischen Peripheriegeräten und dem Assistenten/ Editor definiert. Über ein Konfigurationsmenu wird dabei der Typ des Peripheriegeräts angelegt, der dann bei der Definition des Montageschritts als Assistenzfunktionalität hinzugefügt werden kann. Ein Montageschritt hat dabei die Eigenschaft, dass maximal eine Assistenzfunktionalität zusätzlich zu den standardmäßig mit dem Prozessschritt verknüpften kognitiven Funktionen Pick-by-light, CAD-Darstellungen bzw. Videos, Einzelteilund Werkzeuginformationen verknüpft wird. Sind mehrere Teilfunktionalitäten erforderlich, muss der Montageschritt aufgeteilt werden. Wie in Abb. 3dargestellt, implementiert die universelle Schnittstelle einen bidirektionalen Informationsfluss, bei dem Steuerungsbefehle an das Peripheriegerät gesendet und Statussowie Ergebniswerte zurückgeschickt werden. Soll eine komplexere Interaktion realisiert werden, wird die Schnittstelle durch ein dediziertes Plugin der Software für systemspezifische Kommunikationssequenzen ergänzt. Ein Beispiel hierfür ist das externe Kamerasystem, das für Qualitätsprüfaufgaben bzw. zur Bewegungsplanung des Robotersystems eingesetzt wird. Dafür müssen neben Triggerbefehlen auch weitere Kommandos zur Anzahl und Verarbeitung der Aufnahmen jeweils im Handshakeverfahren kommuniziert werden. Neben der funktionalen Interaktion wird über die universelle Schnittstelle auch ein Fehlermanagementsystem implementiert. Im Falle einer unkritischen Störung informiert der Assistent den Werker über das Fehlerereignis und liefert Anleitungsinformationen zur Behebung über ein Popup. Liegt ein kritischer Fehler wie z.B. eine Kollisionsfahrt des Roboters mit ausgelöstem Sicherheitsstopp vor, wird der im Editor mit seinen Kontaktdaten hinterlegte K Kollaborative Robotikanwendungen an Montagearbeitsplätzen 1233 Abb. 3 Universelle Schnittstelle und Nutzerinteraktion Experte informiert. Die erfolgreiche Fehlerbehebung wird in beiden Fällen bestätigt und im Editor als Fehlerereignis mit Zeitstempeln dokumentiert. Dadurch werden zusätzliche Daten über den Produktionsprozess generiert, die für die kontinuierliche Optimierung der Systemauslegung genutzt werden können. 3.3 Mensch-Maschine Interaktion am Beispiel des kollaboratives Robotersystems Um geeignete Montageschritte für den Einsatz eines kollaborativen Robotersystems auszuwählen, wurden alle Teilschritte hinsichtlich Ergonomie, Belastungsfaktoren für die Monteure und Qualitätsanforderungen (Fink et al. 2020) bewertet. Hinsichtlich des Grades der Interaktion zwischen Werker und Roboter werden in diesem Beitrag in Anlehnung an Bauer et al. 2016 drei Kategorien differenziert, die in Abb. 4dargestellt sind. Die sequentielle oder synchronisierte Kooperation zerlegt einen Prozessschritt in einzelne, nicht weiter funktional zerlegbare Handhabungsaufgaben (Michniewiz und Reinhart 2014), die jeweils ausschließlich von einem Akteur – Werker oder Roboter – zeitlich synchronisiert durchgeführt werden. So wird beispielsweise der Arbeitsschritt zum Fügen von Bolzen in ein Gehäuseteil in die einzelnen Subprozesse des Bereitstellens des Gehäuseteils (Roboter) sowie der Bolzen (Werker) innerhalb des Kollaborationsraums und das eigentliche Fügen durch den Werker aufgeteilt. Ein solches Kooperationsszenario reduziert Belastungen und ergonomisch ungünstige Handhabungsvorgänge für den Menschen, da in diesem Beispiel das Gehäuseteil entsprechend der konstruktiven Merkmale zunächst erhitzt werden muss, um die Passung zu ermöglichen. Die parallele Kooperation oder Koexistenz ermöglicht es, innerhalb des gesamten Arbeitsplatzes mehrere grundK 1234 T. Rusch et al. Abb. 4 Interaktionsszenarien und Grad der Zusammenarbeit von Roboter und Werker legende Arbeitsschritte gleichzeitig ablaufen zu lassen. Dies kann durch paralleles Montieren der Einzelstücke eines Auftrags oder durch parallele Ausführung unterschiedlicher grundlegender Handhabungsaufgaben innerhalb eines Montageschritts realisiert werden. In der Beispielapplikation werden bis zu drei Getriebe eines Loses parallel aufgeheizt, um das anschließende Bolzenfügen zu ermöglichen. Dabei sind die Arbeitsräume von Mensch und Roboter getrennt. Primärer Vorteil der parallelen Kooperation ist die Effizienzsteigerung aufgrund reduzierter Montagezeiten, ohne dass die kognitive Belastung zunimmt, da die Koordination der parallelen Handhabung vom Assistenzsystem übernommen wird. Die Kollaboration verbessert die Ergonomie einzelner Handhabungsaufgaben, indem Werker und Roboter dasselbe Werkstück bearbeiten. Beispielhaft wird dies für den Vorgang des Bolzenfügens realisiert, bei dem der Roboter als „dritte Hand“ das Gehäuseteil an der korrekten Position für den Werker fixiert. Alle Prozessschritte des Roboters werden dabei durch Sensorik überwacht, um eine sichere Interaktion gewährleisten zu können (siehe Abschn. 4.1). Dafür werden spezielle Greifer bzw. Halterungen konzipiert, um die unterschiedlichen Szenarien mit einem Robotersystem durchführen zu können. Die Kommunikation mit der Softwareplattform wird über die in Abb. 3beschriebene universelle Schnittstelle hergestellt. 4 Herausforderungen bei der Applikation kollaborativer Systeme Die Auslegung als kollaboratives Montagesystem erfordert eine grundlegende Untersuchung, damit Werker und Cobot in den Kollaborationsräumen sicher zusammenarbeiten können. Für die flexible Nutzung des Systems und zur Beherrschung der Variantenvielfalt des Anwendungsbeispiels wird eine Kamera zur bildgeführten Bewegungssteuerung eingesetzt. Diese Herausforderungen werden im Folgenden näher beschrieben und abschließend Bewertungsmaßstäbe definiert, nach denen die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems beurteilt werden kann. K