Ermittlung und Bewertung von Einsatzpotenzialen der Mensch-Roboter-Kollaboration - De Gruyter
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MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION
Ermittlung und Bewertung von
Einsatzpotenzialen der Mensch-
Roboter-Kollaboration
Methodisches Vorgehensmodell für die industrielle Montage
Christoph Petzoldt, Aufgrund des starken Kostendrucks sowie der immer weiter steigen-
Dennis Keiser, den Variantenvielfalt stellt die Kollaboration von Mensch und Roboter
Henrik Siesenis, einen möglichen Lösungsvektor für weitere Flexibilisierungs- und Ra-
Thies Beinke und tionalisierungspotenziale in der Montage dar. Die gezielte Ermittlung
Michael Freitag, Bremen und Bewertung von Einsatzpotenzialen bildet in der Praxis die Grund-
lage für den erfolgreichen Einsatz von kollaborativen Robotern. In die-
sem Beitrag wird ein Vorgehensmodell für die methodische Analyse
des Einsatzes von kollaborativen Robotern in Montageszenarien vor-
geschlagen und evaluiert.*)
Einführung wie der großen Prozesssicherheit [10]. Der vorliegende Beitrag stellt eine Me-
Trotz der großen Potenziale kollaborativer thode zur Ermittlung und Bewertung von
Die Montage ist einem immer stärkerem Szenarien, niedrigerer Investitionskosten Einsatzpotenzialen von kollaborativen
Kostendruck [1] bei gleichbleibenden im Vergleich zu klassischen Industriero- Robotern in der Montage vor, die eine
Qualitätsanforderungen [2] und zuneh- botern und dem nachgewiesenen Bedarf ganzheitliche Vorabbewertung ermög-
mender Variantenvielfalt [3] ausgesetzt. an neuen technologischen Lösungen in licht. Der Beitrag orientiert sich dabei an
Die starke Kundenorientierung und die der Montage, stellen Cobots weiterhin dem von Peffers [11] vorgeschlagenen
damit verbundene Individualisierung eine Nische dar. Mit einem geringen An- Phasenmodell des Design Science Rese-
stellt hohe Flexibilitätsanforderungen an teil im Gesamtmarkt der Industrieroboter arch (DSR) und ist wie folgt gegliedert:
Montagesysteme [4, 5] und macht eine können kollaborative Anwendungen al- Im zweiten Abschnitt werden die Grund-
wirtschaftliche Automatisierung von lenfalls als Leuchtturm- oder Demonstra- lagen der Mensch-Roboter-Kollaboration
Montageprozessen oft nur schwer mög- tionsprojekte bezeichnet werden. (MRK) dargestellt. Im dritten Abschnitt
lich [6]. Zudem stellt der demografische
Wandel in der betrieblichen Praxis eine
immer größere Herausforderung dar [7].
Kollaborative Roboter, sog. „Cobots“, gel-
ten als vielversprechender technologi-
scher Ansatz, um diesen Herausforderun-
gen zu begegnen [8]. Kollaborative Pro-
zessszenarien nutzen die kognitiven und
Bild 1. Aufbau und
motorischen Vorteile des Menschen und Inhalt des Beitrags
integrieren gleichzeitig die Stärken eines in Anlehnung an das
Roboters [9]. Diese bestehen insbesonde- Design Science Re-
re in der hohen Wiederholgenauigkeit so- search (DRS)-Vorge-
hensmodell
*) Hinweis
Bei diesem Beitrag handelt es sich um
einen von den Mitgliedern des ZWF-
Advisory Board wissenschaftlich
begutachteten Fachaufsatz (Peer-Review).
Open Access.©2021 Christoph Petzoldt, Dennis Keiser, Henrik Siesenis, Thies Beinke und
Michael Freitag, published by De Gruyter. This work is licensed under the Creative
8 Commons Attribution 4.0 International License. Jahrg. 116 (2021) 1 – 2MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION
wird der Stand der Technik von Metho-
den zur Potenzialanalyse präsentiert und
mittels aufgestellter Anforderungen ver-
glichen. Der vierte Abschnitt beschreibt Bild 2. Gegenüber-
die Entwicklung der Methode und in Ka- stellung der Stärken
pitel fünf erfolgt die Anwendung und und Schwächen von
Menschen und Robo-
Evaluation der Methode anhand dreier
ter [2, 9, 42]
praxisrelevanter Fallbeispiele. Das letzte
Kapitel diskutiert abschließend weiterge-
hende Herausforderungen und Potenzia-
le. Bild 1 zeigt die Schritte des DSR, die
hier adressierten Betrachtungsgegen-
stände sowie dessen Verortung im Rah- Hybride Montagesystemen subsumie- Halts nicht notwendig; die Arbeitsräume
men dieses Beitrags. ren die genannten Vorteile von Mensch sind jedoch weiterhin strikt getrennt
und Roboter und ermöglichen damit den und der Kontakt von Mensch und Robo-
Grundlagen zur wirtschaftlichen Betrieb von Cobots be- ter ist im produktiven Zustand nicht
Mensch-Roboter-Kollaboration reits bei geringen bis mittleren Stückzah- möglich [21]. Als nächste Stufe kann die
in der Montage len [8, 9, 16]. synchronisierte Bearbeitung von Bautei-
Trotz der großen Forschungsaktivitä- len definiert werden. Dieses Szenario
In der Großserienmontage konnten in ten findet sich in der wissenschaftlichen ermöglicht zwar einen gemeinsamen Ar-
den letzten Jahrzehnten viele Prozesse Fachliteratur bisher keine einheitliche beitsraum, die gleichzeitige Verrichtung
automatisiert und damit wirtschaftlicher Taxonomie für die Klassifizierung der innerhalb des definierten Arbeitsraums
gestaltet werden [1]. Bei kleineren bis MRK (vgl. [9, 17 – 19]). Die in Bild 3 ge- wird jedoch nicht vorgesehen. In koope-
mittleren Stückzahlen ist die Montage zeigte Klassifizierung greift die industri- rativen Szenarien ist es möglich gleich-
weiterhin durch die manuelle Verrich- elle Praxis auf und ermöglicht damit zeitig in einem definierten Arbeitsraum
tung geprägt [12]. Insbesondere für klei- eine Unterscheidung anhand definierter zu agieren, jedoch nicht am selben Bau-
ne und mittelständische Unternehmen Merkmale. Als klassisches und sehr teil. Die Bearbeitung erfolgt somit wei-
(KMU) ist die Vollautomatisierung oft- weit verbreitetes Szenario kann der terhin sequenziell. Eine gleichzeitige
mals wirtschaftlich nicht vertretbar [13]. Schutzzaunbetrieb definiert werden und gemeinsame Bearbeitung erfolgt in
Dem Ziel folgend, auch in einem Umfeld [20]. Dies stellt, aufgrund der trennen- Szenario fünf, der Kollaboration.
mit hoher Variantenvielfalt und geringer den Schutzeinrichtung kein echtes Ko- Studien belegen, dass sich in der In-
Losgrößen eine Automatisierung mit ver- operationsszenario dar. Davon unter- dustrie bisher kaum kollaborative Szena-
tretbarer Amortisationszeit zu ermögli- schieden wird die Koexistenz von rien finden (vgl. [12]). Dies bedingt sich
chen, konzentriert sich die Entwicklung Mensch und Roboter. Eine Kapselung ist insbesondere durch die langen Prozess-
im Bereich der Industrieroboter zuneh- aufgrund des sicherheitsüberwachten zeiten, da die Bahngeschwindigkeit des
mend auf die Leichtbaurobotik [13].
Durch hybride Szenarien sollen die Vor-
teile des Menschen mit den der Roboter
zusammengeführt werden. Der Mensch
zeichnet sich dabei durch seine hohe ko-
gnitive und motorische Flexibilität und
Anpassbarkeit aus [14]. Zudem ist er
lernfähig und kann somit schnell auf Pro-
zessänderungen und mögliche Störun-
gen reagieren [2]. Die fehlende Positio-
niergenauigkeit führt in der industriellen
Praxis jedoch oftmals zur Notwendigkeit
von unterstützenden Vorrichtungen.
Ebenso steigt die Fehleranfälligkeit
durch den Faktor Mensch bei monotonen
Tätigkeiten [15]. Demgegenüber stehen
die in Bild 2 dargestellten Stärken von
Robotern. Diese liegen insbesondere in
der hohen Positionier- und Wiederholge-
nauigkeit sowie der prinzipiellen Fähig-
keit hohe Nutzlasten aufheben zu kön- Bild 3. Übersicht der Interaktionsformen und -arten von Robotersystemen und deren Merkmale
nen [14]. [13], erweitert nach [43]
Jahrg. 116 (2021) 1 – 2 9MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION
Bild 4 subsumiert die aufgestellten An-
forderungen und nimmt anhand von be-
stehenden Methoden eine Bewertung vor.
Von den fünf analysierten Methoden [7,
23 – 26] zeigen alle eine starke Fokussie-
rung auf die wirtschaftliche Bewertung.
Bild 4. Vergleich von Die Qualität wird von keiner der Metho-
Methoden zur Poten- den ausreichend adressiert. Ergonomi-
zialanalyse der sche Aspekte werden insbesondere in der
Mensch-Roboter-Kol-
von Pfeiffer und Weber [26] vorgestellten
laboration in der
Montage
Methode berücksichtigt. Zudem kann
eine fehlende Methodenunterstützung
für den Anwender assistiert werden.
Methode zur Ermittlung und
Bewertung von Einsatzpoten-
zialen der MRK
Auf Basis der Anforderungen sowie der in
Roboters stark limitiert ist. Demgegen- der Qualität (A4) als Bewertungsdimen- Bild 4 dargestellten Gegenüberstellung
über stehen Vorteile wie die flexiblere sion definiert werden. Ausgehend von folgt der Bedarf nach einer ganzheitlichen
Prozessplanung, die dynamische Zuwei- der Dimension Zeit ist zudem die Wirt- Vorgehensweise zur methodengestützten
sung von Prozessschritten und die damit schaftlichkeit während der Analyse zu Bewertung der MRK-Einsatzpotenziale in
verbundene Reduzierung möglicher War- bewerten (A5). Potenziale von Cobots be- der Montage hinsichtlich der Aspekte
tezeiten [22]. stehen außerdem in einer ergonomischen Qualität, Wirtschaftlichkeit und Ergono-
Unterstützung und damit einer stärkeren mie. Hierfür wird das in Bild 5 dargestell-
Bestehende Methoden Mitarbeiterorientierung. Daher kann als te und nachfolgend erläuterte Vorgehens-
zur Bewertung der Mensch- weitere Anforderung die Analyse hin- modell vorgeschlagen, welches sich in
Roboter-Kollaboration sichtlich der Ergonomie (A6) definiert folgende fünf Phasen gliedert und die An-
werden. forderungen A1 bis A6 erfüllt:
Ausgehend von den beschriebenen
Grundlagen der MRK werden nachfol-
gend Anforderungen an das zu entwi-
ckelnde Vorgehensmodell abgeleitet und
bestehende Methoden zur Potenzialana-
lyse der MRK aus Wissenschaft und Pra-
xis anhand der definierten Kriterien be-
wertet. Übergeordnet kann als erste An-
forderung die spezifische Ausrichtung
des Vorgehens auf die industrielle Monta-
ge (A1) formuliert werden. Um einen
möglichst effizienten Einsatz des Vorge-
hens zu gewährleisten, ist eine methode-
nunterstütze Analyse (A2) und Bewer-
tung zielführend. Dies ermöglicht außer-
dem eine bessere Vergleichbarkeit der
Ergebnisse und ferner ist eine gute Um-
setzbarkeit in der Praxis gewährleistet.
Zudem ist eine starke Prozessorientie-
rung (A3) der Methode wünschenswert,
da insbesondere in der Montage starke
prozessbezogene Abhängigkeiten beste-
hen. Aus den übergeordneten Zielen der
Montage können die notwendigen Analy-
sedimensionen abgeleitet werden. Den
hohen Qualitätsansprüchen in der Mon- Bild 5. Vorgehensmodell zur Ermittlung und Bewertung von MRK-Einsatzpotenzialen in der industri-
tage folgend kann die Berücksichtigung ellen Montage
10 Jahrg. 116 (2021) 1 – 2MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION
n initiale Partizipation, und durch die Risikoprioritätszahl beur- che Bauteilkriterien und Montagepro-
n Ist-Analyse, teilt werden. Aufgrund des hohen Auf- zessmerkmale berücksichtigt [31]. Das
n Entwicklung Einsatzpotenziale, wands für eine erste Lokalisierung von Ergebnis dieser Analyse, eine Aufwands-
n Bewertung und Auswahl Einsatzpo- Fehlerquellen [29] ist diese allerdings abschätzung zur Automatisierung einzel-
tenziale sowie ergänzend zu betrachten und wird in die- ner bauteilbezogener Montageoperatio-
n Feinplanung und Implementierung. sem Artikel nicht durchgeführt. Stattdes- nen, wird mit den Ergebnissen der
sen werden mittels leitfadengestützter Ist-Analyse überlagert, sodass sich eine
Initiale Partizipation Experteninterviews direkte Informatio- Gegenüberstellung von Verbesserungs-
Im ersten Schritt erfolgt eine initiale Par- nen zu prozessualen Schwachstellen von potenzialen und Automatisierungsauf-
tizipation, welche sich in zwei Aspekte operativen Mitarbeitern eingeholt. Insbe- wänden ergibt. Im dritten Schritt erfolgt
unterteilt: Zum einen wird das operative sondere diejenigen Fehlertypen, die un- hierauf aufbauend nochmals eine Erar-
Personal direkt über das Vorhaben infor- mittelbar nach Auftreten vom Mitarbei- beitung von Cobot-Einsatzmöglichkeiten
miert und ein initiales Brainstorming mit ter behoben werden, tauchen typischer- unter Einsatz von Kreativitätstechniken,
den Montagemitarbeitern zu möglichen weise nicht in Fehlerreports auf, sind wobei nun montageprozessbezogen vor-
Einsatzbereichen durchgeführt. Hier- aber für die Umsetzung von MRK-An- gegangen wird. Hierbei sind insbesonde-
durch kann sowohl eine Steigerung der wendungen von hoher Bedeutung. Die re auch Kombinationsmöglichkeiten von
Akzeptanz als auch ein erweiterter Blick aus den genannten Methoden ermittelten Lösungen, bzw. die Anwendung in meh-
zu möglichen Einsatzpotenzialen erreicht Fehler werden überlagert und teilpro- reren Prozessen zu prüfen.
werden. Zum anderen wird eine Beobach- zessbezogen in die Montageprozessmo-
tung des Montageprozesses vorgenom- dellierung eingetragen. Weiterhin kön- Bewertung und Auswahl MRK-Einsatz-
men, um bereits vor Einstieg in die nen anhand der Interviews mit operati- potenziale
Ist-Analyse einen ersten Eindruck zu pro- ven Mitarbeitern persönlich empfunde- Anhand der verschiedenen Aspekte der
zessualen, bzw. ergonomischen Verbes- ne, ergonomisch ungünstige Tätigkeiten überlagerten Analyseergebnisse erfolgt
serungspotenzialen zu erhalten. aus mitarbeiterzentrierter Sicht identifi- optional zunächst eine Vorauswahl der
ziert werden. entwickelten MRK-Einsatzpotenziale,
Ist-Analyse welche in dieser Phase detailliert bewer-
Im Anschluss an die erste Phase wird im Entwicklung MRK-Einsatzpotenziale tet werden. Für die Bewertung dieser
zweiten Schritt der Ist-Zustand der Mon- Nach erfolgreicher Ist-Analyse und Iden- werden entsprechend der Anforderungen
tage analysiert, welche die Grundlage für tifikation potentieller Fehlertypen sowie A4 bis A6 die drei Zieldimensionen Wirt-
die Lokalisierung von potentiellen ergonomischer Problembereiche findet schaftlichkeit, Qualitätssicherung und
MRK-Einsatzbereichen bildet. Hierzu im dritten Schritt die Entwicklung der Ergonomie, jeweils unter Einsatz geeig-
werden zunächst prozessrelevante Daten MRK-Einsatzpotenziale statt. Diese er- neter Methoden, berücksichtigt. Durch
(Montageorganisationsformen, verwen- folgt im ersten Schritt methodengestützt Gewichtung der Zieldimensionen erfolgt
dete Bauteile, Art der Montagevorgänge, durch Anwendung von Kreativitätstech- schließlich die Auswahl der MRK-Lösung.
Prozesszeiten) aufgenommen und darauf niken (vgl. z. B. [30]). Das Ziel ist, zu- Da die Prozesszeit in Bezug auf die
aufbauend der Montageprozess model- nächst ohne Berücksichtigung des Pro- Lohnkosten direkt mit den Produktkos-
liert. Hierfür können Montagevorrang- zesses, allgemeine Konstellationen für ten zusammenhängt, erfolgt die Bewer-
graphen genutzt oder vereinfacht eine Cobot-Einsatzmöglichkeiten zu identifi- tung der Wirtschaftlichkeit klassisch
BPMN-Modellierung verwendet werden zieren. Ergänzend dazu können die wäh- durch Vergleich der Prozesszeiten [1]
(vgl. z. B. [27, 28]). So unternehmenssei- rend der initialen Partizipation (Phase 1) vor (Ist-Zeiten) und nach (Soll-Zeiten)
tig vorhanden, sollte eine Analyse von ermittelten Einsatzbereiche und Verbes- Einsatz einer MRK-Lösung. Die Ist-Pro-
8D-Reporten durch Studie von Anzahl serungspotenziale herangezogen wer- zesszeiten werden aus den Analyseer-
und Beschreibung der Reporte zur fak- den. Anschließend erfolgt im zweiten gebnissen aus Phase 2 entnommen;
tenbasierten Erfassung von Problembe- Schritt eine Analyse des Automatisie- Soll-Prozesszeiten werden mittels des
reichen und Fehlerquellen durchgeführt rungsaufwands, welche sequentiell für Methods-Time Measurement (MTM) Ver-
werden. Obwohl hiermit primär ein alle Teilprozesse durchgeführt wird. Die- fahrens [32] für alle Teilprozessschritte
Rückblick auf bereits entstandene Fehler se stellt eine Grundlage für die in Phase 4 bestimmt. Durch Fokussierung auf die
erfolgt, für die ggf. schon Maßnahmen folgende Bewertung und Auswahl der wesentlichen Montageteilfunktionen
zur Fehlerverhütung implementiert wur- MRK-Einsatzpotenziale dar, da aus wirt- (Fügen, Handhaben, Kontrollieren, Jus-
den, können hierdurch typische Fehlerty- schaftlicher Perspektive neben der Not- tieren, Sonderoperationen) [1], [33] wird
pen aufgedeckt werden. Zur Berücksich- wendigkeit einer Verbesserung auch der in diesem Artikel der Aufwand für die
tigung möglicher zukünftiger Fehler Aufwand zur Umsetzung einer MRK-Lö- Durchführung reduziert [32]. Die sich
kann optional eine Fehlermöglichkeits- sung von zentraler Bedeutung ist. Hier- hieraus ergebenden, personalkostenbe-
und einflussanalyse (FMEA) [29] durch- für kommt die von Ross vorgeschlagene, zogenen jährlichen Einsparpotenziale
geführt werden, mit welcher teilprozess- fallspezifische Methode zur Bewertung werden den zu tätigenden Investitions-
weise Auftretens- und Entdeckungswahr- des Automatisierungsaufwands von kosten gegenübergestellt. Hierfür kön-
scheinlichkeiten von Fehlern untersucht Montageoperationen zum Einsatz, wel- nen statische und dynamische Investi-
Jahrg. 116 (2021) 1 – 2 11MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION
tionsrechnungsverfahren angewandt Die ergonomischen Potenziale eines sungen notwendig sind (vgl. [41]), erfolgt
werden [34]. Im Rahmen dieses Beitrags MRK-Einsatzes werden im Rahmen des nach der Implementierung die Iteration
(und in erster Prozessiteration) wird da- vorgestellten Vorgehensmodells nicht im Vorgehensmodell, beginnend mit
bei aufgrund der einfacheren und durch monetäre Kriterien bewertet, wel- Schritt 2.
schnelleren Anwendbarkeit [35] auf die che sich lediglich durch schwer bestimm-
statische Amortisationsrechnung zu- bare Faktoren, wie reduzierte Krank- Anwendung und Evaluation
rückgegriffen. Hierbei wird die Amorti- heitstage oder ergonomisch begünstigte
sationszeit durch Gegenüberstellung Produktivitätssteigerungen (vgl. [36]), Zur Evaluation der im vorherigen Ab-
von Investitionskosten und jährlichen abbilden ließen. Stattdessen wird eine schnitt vorgestellten Methode wurde das
Zahlungseingängen (eingesparte variab- Verwendung der etablierten Methoden Vorgehen zur Potenzialanalyse am Bei-
le Personalkosten) berechnet. zur Bewertung der Ergonomie in der spiel der Montage eines Abgasturbola-
Eine (monetäre) Bewertung des Krite- Montage, wie z. B. das Ergonomic Assess- ders bei einem Maschinenbauunterneh-
riums der Qualitätssicherung wird im ment Worksheet (EAWS), das OCRA-Ver- men durchgeführt. Die Montage der Ab-
vorgeschlagenen Vorgehensmodell mit- fahren oder die Leitmerkmalmethode gasturbolader, welche für mittel- und
tels einer Analyse der einzusparenden (LMM), vorgeschlagen (vgl. [37]). Alle schnelllaufende Dieselmotoren im Schiff-
Fehlerkosten durch den Einsatz eines genannten Methoden bewerten die Tätig- bau eingesetzt werden, erfolgt in einer
kollaborativen Roboters durchgeführt. keiten prinzipiell mittels Punktwerten in Linienmontage. Die Montage ist dabei auf
Diese Einsparpotenziale fließen ergän- den Kategorien der zu bewegenden Ge- acht Arbeitsstationen verteilt und die
zend in die oben erläuterte Amortisati- wichten, der Häufigkeit der Ausführung Handhabung sowie die Stationsübergabe
onsrechnung als jährlicher Zahlungsein- sowie der vorherrschenden Körperhal- erfolgt mithilfe eines Werkstückträgers.
gang ein. Nicht berücksichtigt werden tung, woraus eine Gesamtpunktzahl er- Weiterhin ist die Montage durch eine
dabei mögliche qualitätsbezogene Ein- mittelt und mit einer kritischen Punkteg- hohe Variantenvielfalt bei mittleren
flüsse auf Absatzzahlen durch Effekte der renze verglichen wird. Die Methoden un- Stückzahlen sowie durch vergleichswei-
Kundenbindung und -gewinnung. Die terscheiden sich dabei primär in Bezug se hohe Montagezeiten gekennzeichnet.
Berechnung der fehlerkostenbezogenen auf den Detaillierungsgrad [38, 39]. Auf- Die Bauteilempfindlichkeit der einzelnen
Einsparungen erfolgt methodengestützt grund der einfachen Anwendbarkeit und Bauteile kann als gering eingestuft wer-
durch eine angepasste, monetär bewerte- des geringeren zeitlichen Aufwands für den.
te FMEA. Dazu werden im ersten Schritt die Durchführung der LMM wird für die Die Analyse der 8D Reports (Ist-Analy-
der Ist-Status bewertet, wobei die Auftre- erste Prozessiteration die Verwendung se) zeigt eine Häufung von Fehlern beim
tens- und Entdeckungswahrscheinlich- dieser Methode vorgeschlagen. Die ergo- Fügeprozess von dichtungsrelevanten
keit prozentual angegeben und die Feh- nomischen Potenziale der jeweils zu be- Bauteilen, zudem zeigt sich bei Schraub-
lerfolge mit jeweils entstehenden Fehler- wertenden MRK-Lösung werden durch prozessen ein erhöhtes Fehlerpotenzial.
kosten angegeben werden. Die voraus- Vergleich der Risikowerte des bestehen- Zur weiteren Analyse wurden sieben leit-
sichtlich entstehenden jährlichen Fehler- den Prozesses mit denen des Soll-Prozes- fadengestützte Experteninterviews mit
kosten ergeben sich durch Multiplikation ses bei Einsatz eines kollaborativen Ro- operativen Mitarbeitern durchgeführt.
beider Wahrscheinlichkeiten mit den boters ermittelt. Der Leitfaden ermöglicht eine gezielte
Fehlerfolgekosten und dem Jahresbedarf Die Auswahl der MRK-Lösung erfolgt Befragung und teilt das Gespräch zudem
des Produktes. Im zweiten Schritt wird anschließend durch Überlagerung von in die Bereiche Ergonomie und Qualität.
der Soll-Status bei Umsetzung einer kürzester Amortisationszeit mit ergono- Die manuelle Handhabung schwerer Bau-
MRK-Maßnahme analysiert. Hierfür wird mischen Verbesserungspotenzial, wobei teile wurde von allen Befragten als ergo-
die oben beschriebene monetär bewerte- eine bedarfsgerechte Gewichtung beider nomisch belastend genannt. Zudem wur-
te FMEA erneut, unter Annahme des Ein- Aspekte vorgenommen werden kann. de mehrfach auf die Monotonie der Arbeit
satzes einer MRK-Lösung, durchgeführt hingewiesen. Im Bereich der Qualität
und für alle zu bewertenden MRK-Ein- Feinplanung und Implementierung. zeigten sich bei der Auswertung der Er-
satzpotenziale wiederholt. Das sich dar- Nach Auswahl eines kollaborativen Ein- gebnisse zum einen Bedarfe zur besseren
aus ergebende jeweilige Delta entspricht satzszenarios erfolgt die Feinplanung Handhabung der Bauteile, im Speziellen
den Einsparpotenzialen durch den Ein- und Implementierung, wobei klassische wurde die Winkelstellung der Gehäuse-
satz der entsprechenden MRK-Lösung Projektmanagement-Methoden zu nut- bauteile als große Fehlerquelle genannt.
und kann entsprechend in der Amortisa- zen sind. Ergänzend kann hierzu die von Zum anderen wurde mehrfach das Fehlen
tionsrechnung der jeweiligen MRK-Lö- Schröter entwickelte Methodik zur Pla- von Schrauben als regelmäßig vorkom-
sung als jährlicher Zahlungseingang ad- nung von MRK-Arbeitssystemen [40] he- mender Montagefehler hervorgehoben.
diert werden. Eine Gewichtung der Be- rangezogen werden. Ebenfalls sollten Im nächsten Schritt, der Entwicklung
wertungsdimensionen Qualitätssiche- operative Mitarbeiter frühzeitig in den von Einsatzpotenzialen, wurde die Auf-
rung und Wirtschaftlichkeit ist durch Detailplanungs- und Implementierungs- wandsanalyse nach Ross durchgeführt
Gewichtung der jährlichen Zahlungsein- prozess einbezogen und Schulungsmaß- und deren Ergebnisse mit denen der
gänge in der Amortisationsrechnung nahmen eingeleitet werden. Da in der Ist-Analyse überlagert. Geringe Auf-
möglich. Montage kontinuierliche Strukturanpas- wandswerte konnten beispielsweise für
12 Jahrg. 116 (2021) 1 – 2MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION
Bild 6. Übersicht der entwickelten MRK-Einsatzpotenziale sowie Bewertung der Einsatzpotenziale hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Ergonomie und Qualitäts-
sicherung am Beispiel der Abgasturbolader-Montage
Gewindebuchsen und Unterlegscheiben nung durchgeführt, wobei die jeweilige rechten Positionierung von Bauteilen
festgestellt werden, während feinfühlige Amortisationszeit unter Berücksichtigung (Handhabungs-Cobot) sowie als Kraner-
Montagetätigkeiten, wie z. B. von O-Rin- der ermittelten jährlichen Einsparpoten- satz. Positiv hervorzuheben ist dabei im
gen und Kühlwasserleitungen, in einem ziale aufgrund von Zeiteinsparungen so- Besonderen der Wegfall von zuvor hohen
erhöhten Automatisierungsaufwandswert wie reduzierter Fehlerkosten bestimmt LMM-Risikowerten durch den Einsatz der
resultierten. Ergänzend zu einem initia- wurde. Ergonomische Potenziale wurden genannten MRK-Einsatzmöglichkeiten.
len Brainstorming wurden auf Basis der davon unabhängig mittels der LMM je- Zum anderen wurde der MRK-Einsatz bei
Ergebnisse mit Fokus auf kritischen und weils mit und ohne Einsatz der entspre- besonders monotonen Montageaufgaben
mit geringem Aufwandswert automati- chend MRK-Einsatzmöglichkeit bewertet. als mögliches Einsatzfeld identifiziert, in
sierbaren Bereiche mögliche Einsatzpo- Der analysierte Anwendungsfall der dem sich insbesondere in den Aspekten
tenziale durch ein partizipatives Vorge- Abgasturbolader-Montage zeigt zum ei- Qualitätssicherung und Wirtschaftlich-
hen entwickelt und entsprechend der vor- nen, insbesondere aufgrund schwerer keit Potenziale ergeben. Unter Berück-
gestellten Methodik entlang der drei Di- Baugruppen, Potenziale von MRK hin- sichtigung der Investitionskosten zeigen
mensionen bewertet (Bild 6). Für alle lo- sichtlich einer Verbesserung der ergono- die Einsatzmöglichkeiten als Kommissio-
kalisierten Einsatzszenarien wurde eine mischen Situation durch einen Einsatz in nier-Cobot sowie als Montage-Cobot die
detaillierte Wirtschaftlichkeitsberech- der Kommissionierung, zur montagege- geringsten Amortisationszeiten, wobei
Jahrg. 116 (2021) 1 – 2 13MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION
diese nicht die Zielerreichung von Struk- Literatur 12. Fast-Berglund, Å.; Palmkvist, F.; Nyqvist, P.;
turprojekten des Unternehmens errei- Ekered, S.; Åkerman, M.: Evaluating Cobots
1. Lotter, B.; Wiendahl, H.-P. (Hrsg.): Montage
chen. Die Ergebnisse zur Fallstudie der for Final Assembly. Procedia CIRP 44
in der industriellen Produktion. 1. Aufl.
(2016), S. 175 – 180
Abgasturbolader-Montage sind in Bild 6 Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 2012
DOI: 10.1016/j.procir.2016.02.114
zusammenfassend qualitativ dargestellt. DOI: 10.1007/978-3-642-29061-9_1
13. Kopp, T.; Schäfer, A.; Kinkel, S.: Kollaborie-
2. Müller, R.; Vette, M.; Mailahn, O.: Process-
rende oder kollaborationsfähige Roboter? –
Zusammenfassung oriented Task Assignment for Assembly
Welche Rolle spielt die Mensch-Roboter-Kol-
Processes with Human-robot Interaction.
laboration in der Praxis? Ind. 4.0 Manag.
Procedia CIRP 44 (2016), S. 210 – 215
Dieser Beitrag stellt ein Vorgehensmodell vol. 36, no. 2, pp. 19 – 23, 2020.
DOI: 10.1016/j.procir.2016.02.080
zur Auswahl und Bewertung von MRK DOI: 10.30844/I40M_20-2_S19-23
3. Stecken, J.; Linsinger, M.; Sudhoff, M.;
14. Tsarouchi, P.; Makris, S.; Chryssolouris, G.:
Anwendungen im Umfeld der industriel- Kuhlenkötter, B.: Didactic Concept for In-
Human-robot Interaction Review and Chal-
len Montage dar. Das ganzheitliche Vor- creasing Acceptance of Consistent Data
lenges on Task Planning and Programming.
gehen ist in fünf Schritte gegliedert und Standards Using the Example of Assistance
Int. J. Comput. Integr. Manuf. 29 (2016) 8,
bietet dem Anwender einen anwen- Systems in Assembly. Procedia Manufactur-
S. 916 – 931
ing 31 (2019), S. 277 – 282
dungsnahen Leitfaden und eine methodi- 15. Di Pasquale, V.; Miranda, S.; Neumann, W. P.;
DOI: 10.1016/j.promfg.2019.03.044 Setayesh, A.: Human Reliability in Manual
sche Unterstützung bei der Auswahl von 4. Scholz-Reiter, B.; Freitag, M.: Autonomous
kollaborativen Szenarien. Durch die Assembly Systems: A Systematic Literature
Processes in Assembly Systems. CIRP Review. IFAC-PapersOnLine 51 (2018) 11,
Überlagerung und Subsummierung von Annals 56 (2007) 2, S. 712 – 729 S. 675 – 680
Analyseergebnissen wird zudem eine DOI: 10.1016/j.cirp.2007.10.002 DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.08.396
mehrdimensionale Potenzialbewertung 5. Veigt, M.; Ganji, F.; Kluge, E. M.; Scholz- 16. Krüger, J.; Lien, T. K.; Verl, A.: Cooperation
ermöglicht. Die abschließende praktische Reiter, B.: Autonomous Control in Production of Human and Machines in Assembly Lines.
Planning and Control: How to Integrate Auto
Evaluation zeigt die Eignung der entwi- CIRP Annaly – Manufacturing Technology,
nomous Control into Existing Production 58 (2009) 2, S. 628 – 646
ckelten Methode. Neben den möglichen
Planning and Control Structures. Autonomous DOI: 10.1016/j.cirp.2009.09.009
Einsatzpotenzialen zeigen die Ergebnisse Cooperation and Control in Logistics, Spring- 17. Malik, A. A.; Bilberg, A.: Developing a Refer-
die grundlegenden Herausforderungen er-Verlag, Berlin, Heidelberg 2011, S. 313 – 329 ence Model for Human-robot Interaction. In-
und Forschungsbedarfe von MRK An- DOI: 10.1007/978-3-642-19469-6_22 ternational Journal Interact. Des. Manuf. 13
wendungen: Oftmals sind wirtschaftlich 6. Bänziger, T.: Intelligente Montageassisten- (2019) 4, S. 1541 – 1547
sinnvolle Anwendungen bisher allenfalls ten: Konzepte zur Planung und Program- DOI: 10.1007/s12008-019-00591-6
kooperativ, während echte Kollaboration mierung der Zusammenarbeit zwischen 18. Yanco, H. A.; Drury, J.: Classifying Human-
Mensch und Roboter. ETH Zürich, 2019 robot Interaction: An Updated Taxonomy. In:
trotz aufgezeigter, insbesondere ergono-
7. Rally P.; Scholtz, O.: Investitionsabschätzung Proceedings of the 2004 IEEE International
mischer Potenziale im industriellen Um- für MRK-Anwendungen. In: Hees, F. et al. Conference on Systems, Man and Cybernet-
feld nicht umgesetzt wird. Die üblichen (Hrsg.): Kompetenz Montage – kollaborativ ics (IEEE Cat. No.04CH37583), vol. 3, 2004,
Vorgehensweisen der Automatisierung und wandlungsfähig – Projektatlas, no. Janua- S. 2841 – 2846
sowie dessen Zielgrößen stehen der wei- ry. Lehrstuhl für Informationsmanagement im 19. Villani, V.; Pini, F.; Leali, F.; Secchi, C.: Sur-
teren Verbreitung dabei im Weg. Maschinenbau, Aachen 2020, S. 216 – 217 vey on Human-robot Collaboration in Indus-
Aktuelle Forschungsarbeiten fokussie- 8. Matthias, B.; Ding, H.: Die Zukunft der trial Settings: Safety, Intuitive Interfaces
Mensch-Roboter Kollaboration in der indus- and Applications. Mechatronics 55 (2018),
ren daher den Nachweis, dass die Monta-
triellen Montage. Conference: Internationa- S. 248 – 266
ge ein sinnvolles Anwendungsfeld von
les Forum Mechatronics (ifm) 2013 DOI: 10.1016/j.mechatronics.2018.02.009
MRK Anwendungen darstellt. Zudem soll 9. Oberer-Treitz, S.; Verl, A.: Einführung in die 20. Müller, R.; Franke, J.; Henrich, D.; Kuhlen-
die Methode erstens hinsichtlich spezifi- industrielle Robotik mit Mensch-Roboter- kötter, B.; Raatz, A.; Verl, A.: Handbuch
scher Kennwerte der Roboterhersteller Kooperation. In: Müller, R.; Franke, J.; Hen- Mensch-Roboter-Kollaboration. Carl Hanser
erweitert werden, sodass die Hardware- rich, D.; Kuhlenkötter, B.; Raatz, A.: Verl, A. Verlag, München, Wien 2019
auswahl für den Anwender erleichtert (Hrsg.): Handbuch Mensch-Roboter-Kollabo- DOI: 10.3139/9783446453760.fm
wird. Durch eine weitere Quantifizierung ration.Carl Hanser Verlag, München, Wien 21. Bauer, W.; Bender, M.; Braun, M.; Rally, P.;
2019, S. 1 – 35 Scholtz, O.: Lightweight Robots in Manual
der ergonomischen Potenziale und Be-
DOI: 10.3139/9783446453760.001 Assembly – Best to Start Simply! Examining
rücksichtigung dieser in der Amortisa- 10. Gualtieri, L.; Rauch, E.; Vidoni, R.: Emerging Companies‘ Initial Experiences with Light-
tionsrechnung kann zweitens ein Mecha- Research Fields in Safety and Ergonomics in weight Robots. 2016
nismus zur quantitativen Priorisierung Industrial Collaborative Robotics: A System- 22. Antonelli, D.; Astanin, S.; Bruno, G.: Appli-
aller Bewertungsdimensionen geschaffen atic Literature Review. Robotics and Com- cability of Human-robot Collaboration to
werden. puter-Integrated Manufacturing 67 (2021) Small Batch Production. In: IFIP Advances
Zuletzt stellt die, mit dem vorgeschla- February, 101998 in Information and Communication Technol-
DOI: 10.1016/j.rcim.2020.101998 ogy, 2016, vol. 480, S. 24 – 32
genen Vorgehensmodell angestrebte,
11. Peffers, K.; Tuunanen, T.; Rothenberger, M. A.; DOI: 10.1007/978-3-319-45390-3_3
starke Einbindung von Mitarbeiter auf
Chatterjee, S.: A Design Science Research 23. Leidl, C.: Entwicklung einer Bewertungsme-
allen Ebenen in Unternehmen einen ab- Methodology for Information Systems Re- thode zur Auswahl kollaborierender Roboter
schließenden Aspekt dar, um Akzeptanz search. Journal of Management Information für Cyber-Physikalische Montagesysteme.
und Durchdringungsgrad der MRK nach- Systems 24 (2007), S. 45 – 77 Institut für Managementwissenschaften,
haltig zu erhöhen. DOI: 10.2753/MIS0742-1222240302 Wien 2016
14 Jahrg. 116 (2021) 1 – 2MENSCH-ROBOTER-KOLLABORATION
24. Malik, A. A.: Human-robot Collaboration: 33. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik Die Autoren dieses Beitrags
Application Guidelines. 2019 (Hrsg.): VDI 2860 – Montage- und Hand-
Christoph Petzoldt, M. Sc., leitet die Abteilung
25. Linsinger, M.; Sudhoff, M.; Lemmerz, K.; habungstechnik; Handhabungsfunktio-
Robotik und Automatisierung am BIBA - Bre-
Glogowski, P.; Kuhlenkötter, B.: Task-based nen, Handhabungseinrichtungen; Begrif-
mer Institut für Produktion und Logistik und
Potenzial Analysis for Human-Robot Collab- fe, Definitionen, Symbole. Beuth Verlag,
beschäftigt sich mit dynamischer Kollaboration
oration within Assembly Systems. In: Ta- Berlin 1990
und Mensch-Technik-Interaktion in Montagesy-
gungsband des 3. Kongresses Montage 34. Carstensen, P.: Investitionsrechnung kom-
stemen.
Handhabung Industrieroboter. Springer-Ver- pakt. Gabler Verlag, Wiesbaden 2008
Dennis Keiser, M. Sc., arbeitet als Wissen-
lag, Berlin, Heidelberg 2018, S. 1 – 12 35. Jochem, R.: Was kostet Qualität? – Wirt-
schaftlicher Mitarbeiter am BIBA und beschäf-
DOI: 10.1007/978-3-662-56714-2_1 schaftlichkeit von Qualität ermitteln. Carl
tigt sich mit Mensch-Technik-Interaktion und
26. Peifer, Y.; Weber, M.-A.: Vorgehensmodell Hanser Verlag, München 2018
Resilienz von Produktions- und Montagesyste-
zur Integration der Mensch-Roboter-Kolla- DOI: 10.3139/9783446456921.fm
men.
boration. ZWF 115 (2020) 5, S. 279 – 282 36. Daub, U.; Ackermann, A.; Kopp, V.: Krite-
Henrik Siesenis, M. Sc., hat an der Universität
DOI: 10.3139/104.112274 rien zur Bewertung ergonomischer Maß-
Bremen Produktionstechnik studiert und sich
27. Petzoldt, C.; Keiser, D.; Beinke, T.; Freitag, M.: nahmen der Kostem-Nutzen-Analyse.
in seiner Abschlussarbeit mit dem Einsatz kol-
Requirements for an Incentive-Based Assis- 2019
laborativer Roboter in der Montage beschäftigt.
tance System for Manual Assembly. In: Freit- 37. Heidl, M. J.; Boespflug, A.; Wakula, J.: Eva-
Prof. Dr.-Ing. Thies Beinke ist Inhaber des
ag, M.; Haasis, H.-D.; Kotzab, H.; Pannek, J. luierung von fünf Screening-Bewertungs-
Lehrstuhls für Wirtschaftsingenieurwesen im
(Hrsg.): Dynamics in Logistics – Proceedings verfahren für repetitive physische Belas-
Fachbereich Elektrotechnik und Informations-
of the 7th International Conference on Dy- tungen anhand des subjektiven Belas-
technik der Hochschule Fulda sowie Gastwis-
namics in Logistics (LDIC 2020), Bremen, tungsempfindens der Arbeitspersonen in
senschaftler am BIBA.
Germany. Springer International Publishing, der Montage der Automobil-Zulieferindus-
Prof. Dr.-Ing. Michael Freitag ist Direktor des
Berlin 2020, S. 541 – 553 trie. Zeitschrift Arbeitswiss. 72 (2018) 2,
BIBA sowie Leiter des Fachgebiets Planung und
DOI: 10.1007/978-3-030-44783-0_50 S. 120 – 129
Steuerung produktionstechnischer und logisti-
28. Petzoldt, C.; Keiser, D.; Beinke, T.; Freitag, M.: DOI: 10.1007/s41449-018-0096-9
scher Systeme (PSPS) im Fachbereich Produk-
Functionalities and Implementation of Future 38. Staut, S.: Ergonomie-Analyse: Methoden
tionstechnik der Universität Bremen.
Informational Assistance Systems for Manual und Verfahren. Haufe-Lexware, 2017
Assembly. In: Freitag, M.; Kinra, A.; Kotzab, 39. Eberle, P:. Entwicklung eines Modells zur
H.; Kreowski, H.-J.; Thoben, K.-D. (Hrsg.): effizienten Fabriklayoutplanung unter
Summary
Subject-Oriented Business Process Manage- synchroner Berücksichtigung ergonomi-
ment. The Digital Workplace – Nucleus of scher und produktivitätsorientierter Ge- Identification and Evaluation of Application
Transformation. Proceedings of the 12th Inter- staltungsfaktoren: Fakultät für Maschi- Potenzials for Human-robot Collaboration –
national Conference, S-BPM ONE 2020, nenwesen und Betriebswissenschaften, Procedure Model for Industrial Assembly. Due
Bremen, Germany, December 2 – 3, 2020. Wien 2016 to the strong cost pressure as well as the in-
Springer International Publishing, Berlin 40. Schröter, D.: Entwicklung einer Methodik creasing variant diversity, the cooperation be-
2020, S. 88 – 109 zur Planung von Arbeitssystemen in tween human and robot offers a great potenzial
DOI: 10.1007/978-3-030-64351-5_7 Mensch-Roboter-Kooperation. Disserta- for the optimization of flexibility and rationali-
29. Werdich, M.: FMEA – Einführung und Mo- tion, Universität Stuttgart, Stuttgart 2018 zation in assembly. In practice, the targeted
deration: Durch systematische Entwicklung 41. Westkämper, E.; Bullinger, H.-J.; Zahn, E. identification and evaluation of application po-
zur übersichtlichen Risikominimierung (Hrsg.): Montageplanung – effizient und tenzials represents the basis for the successful
(inkl. Methoden im Umfeld). 2. Aufl., View- markgerecht. Springer-Verlag, Berlin, Hei- use of collaborative robots. Therefore, this pa-
eg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2012 delberg 2001 per proposes and evaluates a procedure model
30. Nagel, K.: Kreativitätstechniken in Unter- DOI: 10.1007/978-3-642-56438-3 for the methodical analysis of collaborative ro-
nehmen. Oldenbourg Verlag, München 2009 42. Hoffman, R. R.; Feltovich, P. J.; Ford, K. M.; bots in assembly scenarios.
DOI: 10.1524/9783486598612 Woods, D. D.: A Rose by any Other
31. Ross, P.: Bestimmung des wirtschaftlichen Name . . .Would Probably Be Given an Acro-
Automatisierungsgrades von Montagepro- nym [Cognitive Systems Engineering].
zessen in der frühen Phase der Montagepla- IEEE Intell. Syst. 17 (2002) 4, S. 72 – 80 Bibliography
nung (Bd. 170). Technische Universität DOI: 10.1109/MIS.2002.1024755 DOI 10.1515/zwf-2021-0002
München, München 2002 43. Bauer, W.; Bender, M.; Braun, M.; Rally, P.; ZWF 116 (2021) 1 – 2; page 8 – 15
32. Bokranz, R. Landau, K.: Produktivitäts Scholtz, O.: Roboter ohne Schutzzaun in © 2021 Walter de Gruyter GmbH,
management von Arbeitssystemen: MTM- der Montage – Stand der Anwendungen in Berlin/Boston, Germany
Handbuch. Schäffer-Poeschel Verlag, Stutt- deutschen Montagen. wt Werkstattstech-
ISSN 0947-0085 ∙ e-ISSN 2511-0896
gart 2006 nik online 106 (2016) 9, S. 616 – 621
Jahrg. 116 (2021) 1 – 2 15Sie können auch lesen
