Manuelle Produktion

Unterstützung statt Substitution

Individuelle Unterstützung in der manuellen Produktion. Am Laboratorium Fertigungstechnik (LaFT) der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg werden in der Arbeitsgruppe „smart ASSIST“ technische Systeme zur personen- und aufgabenangepassten Unterstützung manueller Tätigkeiten entwickelt. Ziel ist es, die Mitarbeiter zu Entlastung, einen vorzeitigen Verschleiß zu ersparen und die Produktionsqualität zu verbessern.

Grafische Darstellung des Ansatzes „Human Hybrid Robot (HHR)“: eine intelligente, an die Person und Aufgabe angepasste, serielle und/oder parallele Kopplung biomechanischer und technischer Elemente. (Grafik: LaFT)

Die Folgen des demografischen Wandels, der gestiegenen technischen Anforderungen im Produktionsumfeld, die längere Lebensarbeitszeit und der zunehmende Wettbewerbsdruck stellen sowohl die Mitarbeiter, als auch Unternehmen vor Herausforderungen. Die Mitarbeiter wünschen sich einen dauerhaften Erhalt der Gesundheit sowie Unternehmen sind bemüht die Effektivität und Produktivität zu optimieren. Zur Unterstützung des Mitarbeiters in der Produktion existieren unterschiedliche Ansätze und Systeme, die zum einen den Menschen durch Übernahme bestimmter Aufgaben entlasten und zum anderen die Ausführung von Tätigkeiten unterstützen. In der industriellen Produktion zählen hierzu unter anderem Automatisierungslösungen, Hebehilfen und der Ansatz der Mensch-Roboter-Kooperation. Speziell für die Kraftsteigerung und Mobilitätsverbesserung wurden sogenannte Exoskelette entwickelt – ihr klassischer Einsatz erfolgte bisher im Militär, in der Landwirtschaft und der Bewegungstherapie. Bei diesen Systemen handelt es sich nach wie vor um speziell angefertigte und kommerziell nicht erhältliche Systeme, die innerhalb der breiten Bevölkerung auf wenig Akzeptanz stoßen, was unter anderem auf die wahrgenommene Dominanz zurückzuführen ist.

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Ansatz: Menschen mit Systemen kombinieren
Der Ansatz des LaFTs ist die passive und/oder aktive Unterstützung des Mitarbeiters durch technische Systeme – das heißt, keine Substitution des Mitarbeiters durch Systeme – bei allem, was ihm schwerfällt, um ihn zu entlasten, einen vorzeitigen Verschleiß zu ersparen, Funktionseinbußen zu kompensieren und die Arbeitsqualität zu verbessern. Der verfolgte Ansatz „Human Hybrid Robot (HHR)“ ist durch eine intelligente, an die Person und Aufgabe angepasste, serielle und/oder parallele Kopplung biomechanischer und technischer Elemente charakterisiert. Das heißt, die biologisch-physiologischen Voraussetzungen des Menschen werden mit technischen Systemen, Werkzeugen und weiteren Funktionalitäten kombiniert. Auf diese Weise sollen zum einen die sensomotorische Koordination, die kognitiven Funktionen sowie die sehr gut ausgeprägte Sensorik des Menschen und zum anderen die maschinenspezifischen Eigenschaften, zum Beispiel die quantitative Charakterisierung, Kraftunterstützung und Ausführung von Tätigkeiten, mit einem starken Wiederholcharakter optimal ausgeschöpft werden.

Die Hoheit über das Unterstützungssystem besitzt stets der Mensch, der die Sollwerte der technischen Elemente vorgibt. Zwangsvorgaben seitens der Maschine sind nicht möglich; Bewegungskorridore lassen sich hingegen seitens des Bedieners festlegen. Im Rahmen des Ansatzes wird ein Baukastensystem zugrunde gelegt, das vorentwickelte Hard- und Software-Module für entsprechende Systeme beinhaltet, die eine oder mehrere Funktionalitäten besitzen können. Die Kombiner- und Austauschbarkeit wird durch Berücksichtigung eines Standards ermöglicht.

Exemplarische Systemlösungen: ein direkt am Körper getragenes Unterstützungssystem sowie Arbeitstische für Produktionsaufgaben. Das tragbare System unterstützt das Halten und Führen von Werkzeugen und deckt weitere Funktionalitäten wie eine Arretierung und Abstandsmessung ab. (Grafik: LaFT)

Im Vergleich zu klassischen Exoskeletten, die zur Kraftsteigerung und Mobilitätsverbesserung eingesetzt werden, verfolgt dieser Forschungsansatz weitreichendere Ziele. Die systematische Integration von Mensch und Technik innerhalb eines Systems mit gemeinsamen Regelkreis – und somit die Weiterentwicklung der klassischen Mensch-Roboter-Kooperation – soll neben der Kraft- und Mobilitätssteigerung vor allem zu Genauigkeitssteigerung, Qualitätssicherung und Fehlervermeidung, zum Beispiel durch integrierte Poka-Yoke-Mechanismen, führen. Dadurch lassen sich wirtschaftliche, technische und soziale Vorteile erzielen.

Der Unterstützungsumfang und -grad lässt sich aufgrund des modularen Grundgedankens individuell anpassen und einstellen. Zum einen kann die Technologie auf einzelne Körperteile beschränkt sein, etwa unterschiedliche Extremitäten, oder den kompletten Körper unterstützen. Zum anderen lässt sich die Stärke einstellen, zum Beispiel zehn Prozent Kraftunterstützung und Vorgabe von Kraftkorridoren aktiver Elemente. Denkbar sind unterschiedliche Systemaufbauten. Exemplarische Systemlösungen für körperlich anstrengende und qualitätskritische Aufgaben sind etwa ein direkt am Körper getragenes Unterstützungssystem sowie Arbeitstische für Produktionsaufgaben. Das tragbare System unterstützt zum einen das Halten und Führen von Werkzeugen und Komponenten und deckt zum anderen weitere Funktionalitäten wie eine Arretierung und Abstandsmessung ab. Die Arbeitstische können beispielsweise Tätigkeiten im Bereich der Mikroproduktion unterstützen (passiv und aktiv), bei denen es auf eine hohe Präzision und die exakte Einhaltung von Reihenfolgen ankommt. Deswegen sind neben Stützfunktionen verschiedene Funktionalitäten zur integrierten Qualitätssicherung implementiert. Die Zusammenführung der sensomotorischen Fertigkeiten und kognitiven Fähigkeiten des Menschen mit technischen Systemen, Werkzeugen und weiteren Funktionalitäten soll synergetische Vorteile erzeugen, um Verbesserungen bei den Arbeitsergebnissen (Qualität, Kosten und Zeit) und Belastung (physisch und mental) zu erschließen, ohne den Mitarbeiter durch technische Systeme zu ersetzen.

Robert Weidner, Helmut-Schmidt-Universität, Arbeitsgruppe „smart ASSIST“/pb


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

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotike.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. Der MHI e.V. hat derzeit 18 Mitglieder, die über ihre Institute und Lehrstühle rund 1.000 Wissenschaftler repräsentieren. Gewählter Präsident ist Prof. Bernd Kuhlenkötter von der TU Dortmund, weitere Vorstandsmitglieder sind Prof. Alexander Verl (Fraunhofer Gesellschaft), Prof. Jörg Franke (Friedrich- Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) und Prof. Thorsten Schüppstuhl (Technische Universität Hamburg-Harburg). Der MHI versteht sich als enger Partner der deutschen Industrie; die Gesellschaft wird durch einen industriellen Beirat, bestehend aus Führungspersönlichkeiten großer und bekannter deutscher Unternehmen, unterstützt. Zudem besteht eine Kooperation mit dem Fachverband Robotik + Automation im VDMA. So wird die Gestaltung von Forschungs-Schwerpunktthemen angeregt. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de.


Laboratorium Fertigungstechnik (LaFT) der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg

Kurz erklärt: Das LaFT
Das Laboratorium Fertigungstechnik (LaFT) der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg wird durch Prof. Dr.-Ing. Jens P. Wulfsberg geleitet, der auch Mitglied der MHI e.V. ist. In enger Kooperation mit wissenschaftlichen und industriellen Partnern werden innovative Produkte und Methoden sowie neue Technologien auf den Gebieten der „Mikroproduktion“, „Robotik und Automatisierung“ sowie „Wertschöpfungssystematik“ entwickelt. In diesen Bereichen werden Projekte zur Grundlagenforschung und zur Entwicklung industrienaher Applikationen bearbeitet. Am LaFT arbeitet ein interdisziplinär zusammengesetztes Team von Wissenschaftlern mit Kompetenzen in den Bereichen Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen, Informatik, Sozialwissenschaften, Kulturwissenschaften und Sozialpädagogik. Das LaFT versteht sich als Partner für lokale, nationale und internationale produzierende Unternehmen, deren Anforderungen bei der Entwicklungen Berücksichtigung finden. Kontakt: www.laft-hh.de und www.smartASSIST.info.

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