Roboterassistenz

Hand in Hand mit dem Assistenten aus Stahl

Bei Bosch in Ansbach arbeiten Menschen direkt mit APAS Produktionsassistenten zusammen. Die enge Interaktion von Mensch und Maschine ist ein Schlüssel zur wandelbaren Fabrik der Zukunft. Gefragt sind vor allem mobile Lösungen, die sich flexibel und ortsunabhängig in der Produktion einsetzen lassen, und die zugleich in der Lage sind, direkt und ohne Abschirmung mit dem Menschen zusammenzuarbeiten. Im Bosch-Werk arbeiten Mensch und Roboter in einer teilautomatisierten Produktionslinie Hand in Hand .

Teamwork: Mensch und Roboter arbeiten hautnah zusammen: Der APAS assistant von Bosch unterstützt den Menschen bei ermüdenden Routinetätigkeiten. Die Unfallgefahr ist durch Sensoren gebannt. (Foto: Bosch)

Man muss nicht Zukunftsforscher sein, um zu wissen, welches enorme Potenzial sich aus der direkten Zusammenarbeit von Menschen und Robotern für die moderne Produktion ergibt. Für Experten ist es unstrittig, dass die Entwicklung neuer Formen der Mensch-Maschine-Interaktion ein zentraler Schritt zu den vernetzten und flexiblen „Smart Factories“ der Industrie 4.0 sind. In der Realität beschränkt sich diese Interaktion allerdings häufig auf die Überwachung von Produktionsprozessen, schirmen Schutzzäune die Menschen von Robotern ab. Wirkliche Kollaboration zwischen Mensch und Maschine ist so noch die Ausnahme. Zum einen, weil die Arbeitssicherheit der Mitarbeiter gewährleistet sein muss. Zum anderen aber auch, weil die meisten Roboter und Maschinen, die in der Fertigung installiert wurden, wenig flexibel sind und nicht ohne erheblichen Aufwand andere Aufgaben übernehmen können. „Das aber ist eine wichtige Voraussetzung für die wandelbare Fabrik der Zukunft, in der schnell auf sich verändernde Marktanforderungen reagiert werden muss, Produkte zunehmend individualisiert sind und kürzere Lebenszyklen haben“, ist Wolfgang Pomrehn von der Robert Bosch GmbH überzeugt.

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Produktionsassistenten für die „Smart Factory“
Als Produktmanager ist Pomrehn bei Bosch für eine neue Familie von mobilen, ortsunabhängigen Produktionsassistenten zuständig: die APAS family – wobei APAS kurz für „Automated Production Assistants“ steht. „Der Grundgedanke dabei ist, dass wir zunehmend Maschinen und Roboter benötigen, die flexibel entlang der gesamten Produktionskette eingesetzt werden können und so ortsfeste und in ihrem Prozess starre Produktionssysteme ablösen oder ergänzen können“, erklärt Pomrehn.

Drei Produktionsassistenten umfasst die Familie bislang, die einzeln oder kombiniert in unterschiedlichsten Fertigungszusammenhängen eingesetzt werden können. Ihre gemeinsame Basis bildet die mobile Plattform APAS base – mit einer einheitlichen PC-basierten Steuerung, standardisiertem Bedienkonzept, umfassender Vernetzung und nicht zuletzt Rollen, die es ermöglichen, den Einsatzort schnell und einfach zu wechseln. Auf dieser Basis setzen wiederum unterschiedliche Module für entsprechende Anwendungsgebiete auf. So ist der APAS inspector – ausgestattet mit hochauflösender Highspeed-Kamera und innovativen 3D-Verfahren – ein mobiler Inspektionsautomat, der beispielsweise hochgenaue Oberflächeninspektionen oder Vollständigkeitsprüfungen übernimmt. Der APAS flexpress hingegen übernimmt als mobiler Produktionsassistent für hochflexibles und hochgenaues Fügen einen der häufigsten Vorgänge in Fertigungen.

Die Facharbeiter können die Roboter direkt teachen. Schritt für Schritt wird der assistant eingelernt. Damit kann der Roboter rasch für weitere Aufgaben genutzt werden. (Foto: Bosch)

Das Herzstück der Produktfamilie ist der APAS assistant, der – ausgestattet mit einem Sechs-Achs-Industrieroboterarm, sensitivem Drei-Finger-Greifer und 3D-Kamerasystem – speziell für die direkte Zusammenarbeit mit Menschen entwickelt wurde. 2012 traten die ersten APAS assistants in Bosch-Werken ihren Dienst an. Sie sind bereits weltweit im Einsatz – auch außerhalb des Bosch-Konzerns, wo erste Unternehmen aus der Automobilindustrie den knapp 1,70 Meter großen und 230 Kilogramm schweren Produktionsassistenten einsetzen. „Nicht bloß ein einfacher Roboter“, wie Pomrehn betont. Denn anders als das Gros der Industrieroboter, die derzeit auf den Markt kommen, stand beim APAS assistant von Anfang wirklich die Kollaboration im Zentrum der Entwicklungsarbeit. „Es geht nicht darum, den Mitarbeiter in der Produktion zu ersetzen, sondern ihm sinnvoll zuzuarbeiten und so die Effizienz zu steigern.“

Kein Ersatz, sondern echter Partner
In der Praxis bedeutet das, dass der assistant gerade die Arbeitsschritte übernimmt, die besonders anstrengend, eintönig oder schmutzig sind. „In der Regel sind das also genau die Tätigkeiten, die ohnehin kein Mensch in der Produktion gerne übernimmt“, so Pomrehn. „Der assistant sorgt also primär für Entlastung beim Menschen – und ermöglicht es zugleich, dass sich die Mitarbeiter auf hochwertigere Tätigkeiten konzentrieren können.“ Dies können zum Beispiel diffizilere Montagearbeiten an einem Handarbeitsplatz sein, bei denen der Produktionsassistenz die Arbeitsteile entsprechend vorbereitet, damit sie zusammengefügt werden. Oder der Roboter übernimmt Tätigkeiten, die für Menschen gefährlich werden können, wenn die Konzentration nachlässt – beispielsweise die Überprüfung von Batterien für hybridbetriebene Fahrzeuge mit hohen elektrischen Spannungen. Mobile Produktionsassistenten leisten in dieser Hinsicht sowohl einen Beitrag zu einer flexibleren und effizienteren Fertigung, wie auch zur Sicherheit in der Fertigung. „So gesehen ist der APAS assistant mehr ein Partner, als ein Ersatz für Menschen“, so Pomrehn. „Er fügt sich problemlos in bestehende Produktionszusammenhänge ein, unterstützt diese und arbeitet dabei direkt mit Menschen zusammen.“

Sensorhaut macht Schutzzäune überflüssig
Was das konkret bedeutet, kann man am Bosch-Standort im mittelfränkischen Ansbach sehen, wo bereits drei Modelle in der Fertigung im Einsatz sind und die Facharbeiter unterstützen. Dies geschieht im Rahmen einer klassischen teilautomatisierten Produktionslinie, bei der es bei den Tätigkeiten der Mitarbeiter im Wesentlichen um das Be- und Entladen von automatisierten Montagestationen sowie den Transport der Werkstücke geht. In Ansbach handelt es sich dabei um EPS-Steuergeräte für Lenk- systeme im Automobil, die im Werk produziert und abschließend getestet werden – ein Prozess, der seit etwas mehr als einem Jahr durch den Einsatz von Robotern mit nur wenig Aufwand höher automatisiert wurde. Die Produktionsassistenten arbeiten den Menschen dabei direkt zu – und dies ohne besondere Abschirmung.

Die Roboter bilden eine komplette Familie aus drei unterschiedlichen Modellen, die natürlich auch zusammenarbeiten können. (Foto: Bosch)

Möglich macht dies eine Besonderheit der Bosch-Lösung: Einzigartig am Markt der kollaborativen Robotersysteme ist der Greifarm des assistant mit einer speziellen, hochsensiblen Sensorhaut mit 120 kapazitativen Sensoren überzogen, der den Roboterarm komplett umschließt. Damit erkennt der Roboter innerhalb von Sekundenbruchteilen, wenn ein Mitarbeiter ihm zu nahe kommt. Noch bevor Mensch und Maschine sich berühren, stoppt der APAS seine Arbeit, wartet ab, bis der Mitarbeiter den Gefahrenbereich wieder verlassen hat, und setzt dann seine Arbeit genau an der Stelle fort, an der er sie zuvor unterbrochen hat.

Den Roboterarm umgibt also eine Art unsichtbare Schutzzone, die – und das ist der entscheidende Unterschied zu anderen Lösungen am Markt – ohne Berührung funktioniert. „Dieses berührungslose Sicherheitskonzept macht einen Schutzzaun, wie er normalerweise bei Robotern in der Produktion vorgeschrieben ist, überflüssig“, so Pomrehn. Eine Auffassung, die auch die deutsche Berufsgenossenschaft (BG) teilt: Sie hat den APAS assistant für die direkte Zusammenarbeit mit dem Menschen ohne zusätzliche Schutzvorrichtung zertifiziert. In Ansbach wurde dieser Schutz sogar auf den speziell für diesen Arbeitseinsatz entwickelten Greifer ausgedehnt: Auch dieser ist von der Sensorhaut umgeben und reagiert prompt, wenn ein Mitarbeiter ihm zu nahe kommt.

Sicherheit steht auch beim Einsatz des APAS im Ansbacher Werk im Vordergrund, wie Martina Hinze, Gruppenleiterin im Bereich Fertigungsplanung bei Bosch in Ansbach, betont. Und das gleich in doppelter Hinsicht: Zum einen geht es um die Sicherheit des Mitarbeiters, der in direkter Nähe zum APAS assistant arbeitet. Zum anderen um die Sicherheit der Produkte, die in Ansbach vom Band laufen. „Als abschließende Qualitätskontrolle werden die EPS-Steuergeräte hier auf ihre Temperaturbeständigkeit geprüft“, erklärt Hinze. „Zum einen geschieht dies bei Normaltemperatur, zum anderen aber bei Hitze. Das Teile-Handling bei dieser Prüfung übernimmt der Roboter.“

Dabei arbeiten Mensch und Roboter in Ansbach auf vergleichsweise kleinem Raum buchstäblich Hand in Hand. Der Roboter nimmt je ein EPS-Modul und legt es in ein Testgerät ein, holt es nach der Prüfung wieder heraus und übergibt es dann dem Facharbeiter. Die Entscheidung, ob das jeweilige Steuergerät die Qualitätskontrolle bestanden hat oder aussortiert wird, bleibt dabei Aufgabe des Menschen. Erspart bleibt ihm allerdings das monotone Ein- und Auslegen ins Testgerät – er kann sich auf das Wesentliche konzentrieren. „Das ist ein typisches Einsatzgebiet“, erläutert Pomrehn. „Gerade bei monotonen Tätigkeiten, die aber hohe Aufmerksamkeit und Präzision erfordern, ermüden Menschen mit der Zeit und es steigt die Fehleranfälligkeit.“ In der Fabrik der Zukunft übernimmt solche Aufgaben künftig der automatisierte Produktionsassistent – und entlastet dadurch den Mitarbeiter.

Arbeitspläne in der Cloud
Die Problemlösekompetenz und Flexibilität des Menschen auf der einen Seite und die ausdauernde Präzision des Produktionsassistenten auf der anderen: Im Ansbacher Werk zeigt sich zugleich die neue Qualität der Mensch-Maschine-Interaktion, die Lösungen wie der APAS assistant schaffen können. Darüber hinaus können die Verantwortlichen in der Fertigung je nach Bedarf zwischen verschiedenen Szenarien des Mischbetriebs wählen und diese jederzeit schnell realisieren: Ob zwei Mitarbeiter und ein APAS assistant kollaborieren, zwei Roboter einer Fachkraft zuarbeiten oder drei Produktionsassistenten als „Insel“ einen Teil der Fertigung komplett automatisieren. „Wir haben alle Optionen – nicht zuletzt auch die, wieder alle Arbeitsschritte von Menschen ausführen zu lassen, falls das nötig sein sollte“, erklärt Hinze. „Diese Flexibilisierung ist für uns ein enormer Fortschritt und einer der Gründe dafür, dass wir schon nach einem Jahr klar sagen können: Die APAS assistants haben sich in unserer Produktion voll bewährt und können künftig auch in anderen Produktionsbereichen eingesetzt werden.“

Dabei kommt den Produktionsverantwortlichen eine weitere Besonderheit des APAS assistant zugute: Während die meisten Industrieroboter auf wenige Aufgaben spezialisiert und deshalb nur in einem bestimmten Bereich einsetzbar sind, kann der Produktionsassistent von Bosch schnell für neue Einsatzbereiche eingerichtet werden. Über eine dialoggesteuerte, intuitive Bedienoberfläche können Facharbeiter auch ohne besondere Programmierkenntnisse den Roboter Schritt für Schritt in neue Tätigkeiten „einlernen“ und diese in Form von Arbeitsplänen abspeichern. Diese Arbeitspläne können jederzeit problemlos per Knopfdruck wiederholt werden und ermöglichen es, den APAS heute an dem einen und morgen an einem anderen Ort in der Produktion einzusetzen, ohne ihn jedes Mal neu einrichten zu müssen. Und mehr noch: Die Arbeitspläne können über eine eigens dafür eingerichtete Cloud auch zwischen einzelnen Assistenten ausgetauscht werden. „Selbstgesteuert lernen kann der APAS im Gegensatz zum Menschen natürlich nicht“, so Pomrehn. „Aber er merkt sich jeden Arbeitsablauf. Das kann man schon fast als ein gutes Gedächtnis bezeichnen.“ bw

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