Der Mensch soll an erster Stelle stehen

Die Digitalisierung und viele neue Technologien bringen viel Dynamik in die heutige Arbeitswelt. Von Unternehmen und Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern wird eine hohe Effizienz, Innovationskraft und Anpassungsfähigkeit erwartet. Die ständige Anpassung des Menschen an die neuen Funktionalitäten von Maschinen und die Einführung neuer Technologien in immer kürzeren Abständen führen zu einem Rückgang der Kreativität der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter und einer wachsenden Abhängigkeit von Maschinen. Maschinen sind schneller als Menschen, Menschen werden zu Puppen, Arbeitsprozesse bieten immer weniger Möglichkeiten für persönliche Entfaltung am Arbeitsplatz. Zwar wird in den Medien immer wieder betont: „Der Mensch steht im Mittelpunkt der Industrie 4.0“ oder „Der Mensch im Zentrum der Produktion“, und der Roboter solle den Menschen unterstützen und nicht ersetzen – dennoch werden Mensch-Roboter-Kollaborationssysteme (MRK-Systeme) derzeit noch immer so konzipiert wie Standard-Roboter-Zellen: Der Roboter erledigt kostengünstig automatisierbare Aufgaben und der Mensch ist für Fehlerkorrekturen zuständig. Anders gesagt: Die Aufgaben sind nicht an die Stärken des Menschen angepasst. Im Begriff Mensch-Roboter-Kollaborationssystem steht der Mensch an der ersten Stelle. Daher sollte bei der Planung berücksichtigt werden, dass der Mensch den Roboter dort einsetzt, wo er gebraucht wird, z. B. für einfache, hochpräzise, schwere oder monotone Aufgaben. Der Mensch im Kollaborationsraum soll den Prozess überwachen, die Produktqualität kontrollieren und zugleich die Roboterbewegungen und Peripheriegeräte kontinuierlich und flexibel nach Bedarf anpassen können. Dadurch wäre der Arbeitsplatz völlig personalisiert und die technologischen Aufgaben würden den Menschen ermutigen, sich zu engagieren, zu experimentieren und Prozessschritte laufend zu optimieren. Um dies aber umsetzen zu können, bedarf es eines Umdenkens bei den Systemintegratorinnen und Systemintegratoren und einer völlig anderen mechatronischen Auslegung von MRK-Arbeitsplätzen. Mechanische, elektronische und elektrische Komponenten in MRK-Systemen müssen neuartig geplant werden und das Anwenderprogramm muss vollständig an den Arbeitsplatz angepasst werden können. Das heißt, derzeit wird im MRK-System traditionell dem Roboter die Hauptrolle und dem Menschen die Nebenrolle zugeschrieben, was meistens zu einer Monotonie am Arbeitsplatz bzw. zu Unterforderung des Bedienpersonals führt. Es ist aber unbestritten, dass es die Menschen sind, die für Veränderungen und Innovationen sorgen, nicht die Maschinen. Der Roboter kann dem Menschen helfen, die Veränderungen besser zu meistern, der Mensch bleibt aber Know-how-Träger und Innovationsbringer.

Von enormer Bedeutung für Unternehmen ist die Schaffung effizienter und produktiver Arbeitsplätze, an denen die Mitarbeiter ihre Innovationsfähigkeit erhöhen und ihre eigene Kreativität durch Arbeitsprozesse entwickeln können. Neue Fortschritte in der Robotik – wie etwa die Mensch-Roboter-Kollaboration – bieten große Möglichkeiten, personalisierte Arbeitsplätze zu gestalten, Arbeitsprozesse dynamisch zu beeinflussen und so die Kreativität kontinuierlich zu fördern – jedoch nur dann, wenn dies in der Planung berücksichtigt wird. MRK-Systeme haben ein enormes Potenzial und bieten Möglichkeiten zur persönlichen ergonomischen Anpassung, zur individuellen Erhöhung der Arbeitssicherheit und zur kreativen Integration in die Arbeitsorganisation.

Das MRK-System ist die technische Lösung, die das Wohlbefinden am Arbeitsplatz unterstützen und die Motivation fördern kann. Insbesondere kann das MRK-System nicht nur an die Anthropometrie einer Person angepasst werden, sondern auch an ihr Alter, ihre Erfahrung, ihre täglichen und sogar stündlich wechselnden Anforderungen. Es ist Aufgabe der Systemintegration, den Menschen und seine Fähigkeiten in den Mittelpunkt der Planung von MRK-Systemen zu stellen.

Betriebsarten der Mensch-Roboter-Kollaboration

Die Normen EN ISO 10218-1/-2 und die technische Spezifikation ISO/TS 15066 dienen als Grundlage für die Auslegung von MRK-Systemen. Wie bei jedem Industrieroboter sind auch bei MRK-Systemen die Betriebsarten „Automatik“ und „Handbetrieb“ verfügbar. Im Hinblick auf die sicherheitsgerichtete Ausführung einer Kollaborationsaufgabe können MRK-Systeme im Automatikbetrieb mit vier verschiedenen Arten der Zusammenarbeit oder in einer Kombination davon ausgelegt werden:

a) Sicherheitsbewerteter überwachter Stopp

b) Handführung

c) Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung

d) Leistungs- und Kraftbegrenzung

Betriebsart: Sicherheitsgerichteter Stopp

Die Annäherung des Menschen wird erkannt, sodass der Roboter stoppt, bevor der Bediener den Kollaborationsbereich betritt. Die Position und Geschwindigkeit des Roboters muss sicherheitsgerichtet überwacht werden.

In dieser Betriebsart stoppt der Roboter in der vorgegebenen Position, sodass der Mensch z. B. Montage, Qualitätskontrolle, Werkstückabnahme usw. durchführen kann. Dabei ist es wichtig, dass die Position und Neigung des Werkstücks einstellbar ist. Insbesondere soll die Höhe und Ausrichtung des Werkstücks verändert werden können. Die Betriebsart „Sicherheitsgerichteter Stopp“ könnte sinnvoll mit der Betriebsart „Handführung“ kombiniert werden. In diesem Fall kann der Bediener das Werkstück nach Bedarf einstellen und die neu eingestellte Position speichern, z. B. mittels einer angebrachten Taste „Position speichern“. In der Risikoanalyse sollen die Bereiche berücksichtigt werden, innerhalb derer variabel Positionen definiert werden können. Für den Menschen ist es manchmal notwendig, einfach eine andere Haltung am Arbeitsplatz einzunehmen, sodass der Roboter in der Lage sein muss, eine andere Stopp-Position einzunehmen.

Unterforderung durch die Aufgabe

Der überwiegende Teil der spezialisierten Arbeitsplätze in Industriebetrieben zeichnet sich durch Steuer- und Überwachungstätigkeiten aus. Im Bereich der Mensch-Roboter-Kollaboration steigen die Qualifikationsanforderungen an die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aufgrund der eingesetzten technischen Geräte. Häufig ist eine gute fachliche Ausbildung gefordert, die allerdings im Widerspruch zum tatsächlichen Nutzen steht. Das führt dazu, dass hoch qualifizierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter diese Qualifikation nur selten abrufen müssen. Die dadurch entstehende Unterforderung kann zu einer einseitigen Beanspruchung mit ungünstigen Folgen wie zum Beispiel Schläfrigkeit, Müdigkeit, Leistungsabnahme, verminderte Reaktion usw. führen.

Mit einer Aufgabenübertragung auf mehrere Bereiche könnte ein Rahmen geschaffen werden, in dem die erworbenen Qualifikationen auch angewendet werden können. Bei länger andauernden Prozessen des Roboters bietet die Betriebsart „Sicherheitsgerichteter Stopp“ die Möglichkeit, den Menschen für mehrere unterschiedliche MRK-Systeme einzusetzen oder den Menschen dazwischen mit einer ganz anderen Aufgabe zu beauftragen.

Betriebsart Handführung

Handführung bedeutet die manuelle Führung des Roboters mittels Joystick, angebrachtem Griff, 6-D-Maus, etc. in einem vordefinierten Korridor. Die Bahngeschwindigkeit wird auf max. 250 mm/s beschränkt. Die Handführung ist die Betriebsart des MRK-Systems, bei der der Mensch den Prozess vollständig kontrolliert, den Roboter nach eigenem Ermessen bewegt oder anhält und die Position innerhalb der vorprogrammierten Bewegungsgrenzen verändern kann. Um die Bequemlichkeit am Arbeitsplatz zu erhöhen, sollen die Geschwindigkeit pro Bahnabschnitt einstellbar und die Korridore personalisierbar gemacht werden. Das MRK-System könnte mit weiteren sinnvollen Zusatzfunktionen ausgestattet werden, wie z. B. einstellbare Endpositionierung, programmierbare Stopp-Positionen, Funktion „Wiederholung der letzten Bewegung“, einstellbare Geschwindigkeit pro Bahnabschnitt, usw.

Mangelhafter Handlungsspielraum

Durch die Automatisierung arbeiten Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in der Industrie weniger autonom und mehr fremdbestimmt. Freiräume in den Arbeitsschritten entfallen, da durch den technischen Fortschritt viele Arbeitsprozesse automatisch und in immer gleicher Form ablaufen. Den Beschäftigten werden dadurch Gestaltungsspielräume genommen, da alle Arbeitsschritte in einem in sich geschlossenen Produktionskreislauf kontrolliert und optimiert werden. Das kann dazu führen, dass kaum mehr flexibles Handeln von den Beschäftigten gefordert ist.

Durch eine vermehrte Beteiligung der Beschäftigten generell an der Aufgabenverteilung/-kombination oder an der Planung der Arbeit wird den Beschäftigten mehr Einfluss auf den Arbeitsablauf ermöglicht. Darüber hinaus kann bei selbstständiger Planung beispielsweise die Bearbeitungsreihenfolge frei gewählt werden. Wenn etwa die erforderliche Produktionsmenge für einen Tag oder eine Woche vorgegeben werden, ergeben sich Handlungsspielräume, innerhalb derer die Beschäftigten ihre eigene Belastung und damit ihren eigenen Stress selbständig regulieren können. Hinzu kommt das „psychologische Phänomen“, dass allein die Möglichkeit, aktiv und selbstbestimmt mit Problemen und Stress umzugehen, oft bereits ausreicht, um Stress zu reduzieren – unabhängig davon, ob die Handlungsspielräume tatsächlich genutzt werden oder nicht.

Betriebsart: Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung

Diese Betriebsart erlaubt keine Kollisionen, aber eine zulässige Annäherung an den Bediener wird durch die Einhaltung eines bestimmten Abstandes und einer bestimmten Geschwindigkeit ermöglicht. Eine Kollision ist zwar ausgeschlossen, muss aber in der Risikoanalyse berücksichtigt werden. Diese Betriebsart ist der Betriebsart „Leistungs- und Kraftbegrenzung“ vorzuziehen. Die Systemintegratorin bzw. der Systemintegrator kann das MRK-System so konstruieren, dass je nach Prozess der Abstand zwischen Mensch und Roboter verringert oder vergrößert, die Bahngeschwindigkeit abschnittsweise und jede Position innerhalb des Prozesses verändert werden kann. Es kann ermöglicht werden, den Kollaborationsbereich zu vergrößern und zu verkleinern, nach oben, unten, links und rechts zu verschieben. Alle Änderungen sollten dann gespeichert werden.

Zusammenarbeit / Information und Mitsprache

Neue technische Systeme bieten viele Möglichkeiten, um die Arbeitsleistung der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter besonders in der Produktion zu kontrollieren. Oft werden viele leistungsbezogene Daten aufgezeichnet und zusammengefasst. Das kann die Beschäftigten dahingehend verunsichern, wie und für welche Zwecke diese Daten genutzt werden.

Mit einer Art Anforderungsprofil sollte in einem ersten Schritt festgestellt werden, welche Daten überhaupt erforderlich sind. In einem weiteren Schritt können sogar technische Möglichkeiten geschaffen werden, um die Datenaufzeichnung einzuschränken. Darüber hinaus sollte über gezielte Kommunikationskanäle den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern vermittelt werden, wozu die aufgezeichneten Daten verwendet werden. Zeigt sich etwa, dass diese ausschließlich zur technischen Weiterentwicklung verwendet werden und keinerlei Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit oder personenbezogene Daten möglich sind, können Unsicherheiten minimiert werden. Führungskräfte auf diese Thematik zu sensibilisieren ist ebenso sinnvoll wie regelmäßige Teambesprechungen, um die Informationen transparent zu machen. Hinsichtlich der Bedienung des MRK-Systems kann dem Bediener ermöglicht werden, persönliche, am Arbeitsplatz generierte Daten komplett zu löschen oder zur Weiterverarbeitung freizugeben. Es ist denkbar, dass Daten, die mit der Person in Verbindung gebracht werden können, am Arbeitsplatz vom Mitarbeiter mittels Passwort verschlüsselt oder teilweise freigegeben, gespeichert oder gelöscht werden können.

Betriebsart: Leistungs- und Kraftbegrenzung

In dieser Betriebsart sind Kollisionen zwischen Bediener und Roboter im Kollaborationsraum möglich. An den Kollisionspunkten sind jedoch biomechanische Grenzen, Kraft und Druck nach ISO/TR 15066 einzuhalten. In diesem MRK-System werden Roboter mit kleineren Nennlasten eingesetzt und die Bahngeschwindigkeit wird entsprechend reduziert. MRK-Systeme sind ähnlich der Ausführung mit der Betriebsart „Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung“ zu planen. Insbesondere die Geschwindigkeit der Roboterbahn sollte in allen Abschnitten einstellbar sein. Eine defensive Bahnplanung für Werkstücke mit scharfen Kanten ist zwingend erforderlich. Bei der Einrichtung der Peripherie ist besonders auf mögliche Quetschstellen zu achten und gegebenenfalls sind passive Sicherheitselemente wie Polster, Federn, Dämpfungselemente etc. vorzusehen.

Fehlende Ganzheitlichkeit

Häufig werden bei der Mensch-Roboter-Kollaboration nur Teilaufgaben, wie zum Beispiel vorbereitende oder kontrollierende Tätigkeiten, ausgeführt. Dadurch kann es auch zu einer fehlenden Rückmeldung über den eigenen Beitrag am Arbeitsergebnis kommen. Das wiederum kann sich auf die Aufmerksamkeit und Leistungsfähigkeit der Beschäftigten negativ auswirken.

Eine ganzheitliche Aufgabe umfasst Prozesse der Planung, der Durchführung, der Kontrolle sowie der Rückmeldung. Ideal wäre eine Abstimmung mit beispielsweise vor- oder nachgelagerten Bereichen und somit eine Übertragung an zusätzlichen vorbereitenden, ausführenden und kontrollierenden Aufgaben. Darüber hinaus könnte sich eine Aufgabenerweiterung, etwa die Bearbeitung anderer Produkte, positiv auf die Belastung auswirken. Zusätzlich kann eine Rückmeldung zum Beitrag des Gesamtergebnisses bzw. zur Bedeutung des Arbeitsbeitrages erfolgen. Sind Beschäftigte bereits an der Planung der Aufgaben beteiligt, können einerseits die eigenen Qualifikationen besser eingebracht werden, andererseits können der eigene Fortschritt und die Qualität der eigenen Leistung selbst besser eingeschätzt werden.

Wohlbefinden am Arbeitsplatz ist ein wichtiger Indikator für die Motivation und Leistungsfähigkeit der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Am Beginn der Schicht ist es normal, dass nicht gleich die volle Leistung erbracht werden kann, daher ist es wichtig, die gesamte Prozess-Taktzeit drosseln zu können. Bei der „Leistungs- und Kraftbegrenzung“ ist es wichtig, die Position und Geschwindigkeit des Ein- und Ausstiegs in den Kollaborationsraum anpassen zu können. Ein weiterer Faktor für das Wohlbefinden am Arbeitsplatz, neben Über-/Unterforderung, Handlungsspielraum, Information und Mitsprache oder Ganzheitlichkeit, ist die physische Umgebung, wie z. B. Lärm, Zugluft, Temperatur und insbesondere die einstellbare Beleuchtung. Die richtige Beleuchtung hängt nicht nur vom Werkstück und der Prozesszykluszeit ab, sondern auch vom Alter des Bedienpersonals, dem Geschlecht und der Stimmung, die sich im Laufe des Tages verändern kann.

Für die ganzheitliche Planung komplexer Prozesse bietet sich der Einsatz geeigneter Simulationssoftware an. Simulationswerkzeuge mit integrierten Menschmodellen sind besonders geeignet, wenn es um Arbeitsplätze geht, die an das Bedienpersonal angepasst werden können. Mit diesen Werkzeugen ist es nun möglich, alle Einstellungen an verschiedenen Menschmodellen zu testen, die Prozessgeschwindigkeit im Rahmen der MTM (en: methods-time measurement, de: Arbeitsablauf-Zeitanalyse) zu überprüfen und die Ergonomie am Arbeitsplatz zu bewerten. Auf diese Weise kann die Systemintegration einer Mensch-Roboter-Kollaboration ganzheitlich erfolgen, noch bevor sie gefertigt und installiert wird.

Fazit

Unter dem Vorwand, Fehler der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter zu minimieren, bieten die Arbeitsplätze immer weniger Spielraum für personalisierte Anpassungen, für die Entwicklung von persönlicher Kompetenz und für Innovation und Kreativität. Es ist aber von enormer Bedeutung, Handlungsspielräume zu schaffen, in denen die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter die Möglichkeit bekommen, ihre eigene Kompetenz einzubringen und sich in Teamarbeit weiterzuentwickeln. Hierfür eignen sich richtig konzipierte MRK-Systeme besonders gut. Wenn Systemintegratorinnen und -integratoren bei der Entwicklung von MRK-Systemen moderne Simulationswerkzeuge und Planungssoftware einsetzen, können sie effiziente und produktive Arbeitsprozesse gestalten und sichere und angemessene Arbeitsbedingungen für die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter schaffen. Der Roboter muss sich voll dem Menschen unterordnen und die volle Flexibilität am Arbeitsplatz bieten. MRK-Arbeitsplätze sollen dem Menschen die Möglichkeit bieten, prozessabhängige, personifizierte Einstellungen jederzeit vorzunehmen.

LITERATUR

• [1] BGIA – Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung 2011, BG/BGIA-Empfehlungen für die Gefährdungsbeurteilung nach Maschinenrichtlinie. Gestaltung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern, Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung. Verfügbar unter: <http://publikationen.dguv.de/dguv/pdf/10002/bg_bgia_empf_u001d.pdf>. [23. April 2017].
• [2] Komenda, T. und Malisa, V. 2017, „ProColli – Kontinuierliche Prozessüberwachung der Prozessparameter an kollaborativen Mensch-Roboter-Arbeitsplätzen“, in Tagungsband IMeS2017 – Intelligente Mechatronische Systeme, V. Malisa und T. Komenda (Hrsg.), F-AR Förderung der Automation und Robotik, Wien, S. 23–26.
• [3] Centauro GmbH 2017, Simulationsgestützte Planung von kollaborativen Betriebsformen im dynamischen Produktionsumfeld der Industrie 4.0, Centauro GmbH, 09-2014-08/2017, FFG, Wien
• [4] Hesse, S. und Malisa, V. (Hrsg.), 2016. Taschenbuch Robotik – Montage – Handhabung (2. Ausgabe), Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, ISBN 978-3-446-44365-5, ISBN (E-Book): 978-3-446-44549-9, München
• [6] EN ISO/TS 15066:2016, Roboter und Robotikgeräte – Kollaborierende Roboter
• [7] EN ISO 10218-1: 2012. Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 1: Roboter
• [8] EN ISO 10218-2: 2012. Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 2: Robotersysteme und Integration

Zusammenfassung

Mit den entsprechenden Planungsansätzen ist es heute möglich, Systeme der Mensch-Roboter-Kollaboration zu entwerfen, die ein Maximum an Wohlbefinden für das Bedienpersonal schaffen und zusätzlich zu einer Steigerung der Produktivität beitragen können.