Entwicklung einer Methodik zur Planung von Arbeitssystemen in Mensch-Roboter-Kooperation

Abstract

Eine hybride Automatisierung mit einer direkten Kooperation von Mensch und Roboter bietet im Vergleich zu konventionellen Produktionslösungen Verbesserungspotential hinsichtlich Ergonomie, Flexibilität und Kosten. Obwohl technische Lösungen zur Umsetzung von hybriden Arbeitssystemen bestehen, wurden bisher nur wenige Applikationen in der industriellen Serienfertigung umgesetzt. Neben mangelnder praktischer Erfahrung mit dieser neuen Technologie ist ein wesentlicher Grund hierfür, dass in bestehenden Methoden der Montageplanung Mensch-Roboter- Kooperation nur unzureichend berücksichtigt wird. Diese Arbeit stellt eine Methodik zur Planung von Arbeitssystemen in Mensch-Roboter-Kooperation vor. Basierend auf bestehenden Forschungsarbeiten wird ein Konzept zur fähigkeitsorientierten Zuordnung von Montagetätigkeiten entwickelt, das darüber hinaus die Identifikation von Montageschritten mit einer hohen Eignung für eine Kooperation von Mensch und Roboter ermöglicht. Die Umsetzung einer Applikation mit einer direkten Interaktion zwischen Mensch und Roboter erfordert spezielle Sicherheitskonzepte, die unmittelbare Auswirkungen auf die Produktivität des Arbeitssystems haben. Auf Basis aktueller Normen werden formelbasierte Zusammenhänge aufgestellt, um die maximal zulässige Geschwindigkeit von Roboterbewegungen und den Mindestabstand zu Gefahrenstellen zu berechnen. Weiterhin werden Prozessbausteine zur Beschreibung roboterbasierter Montagevorgänge definiert, die eine direkte Berechnung von Sollzeiten ermöglichen. In Kombination mit bestehenden Prozessbausteinsystemen zur Planung manueller Arbeitsvorgänge ist es möglich, Arbeitsabläufe von Mensch und Roboter in einer gemeinsamen Prozesssprache zu beschreiben und aufeinander abzustimmen. Abschließend wird die Methodik in ein softwarebasiertes Planungswerkzeug umgesetzt und anhand von zwei Anwendungsbeispielen aus der Automobilproduktion validiert.

In comparison to classic automated solutions, the direct cooperation of human workers and industrial robots offers new potential regarding flexibility, cost and ergonomics. However those advantages are mostly not obvious and only few applications using human-robot interaction are used in serial production as of the current state of the art. Reasons for this are a lack of knowledge about this new technology and its capabilities as well as a lack of planning tools supporting the design of hybrid work systems. This work introduces a methodology for planning work systems using human-robot interaction. Based on existing research work a concept for a capability orientated task assignment between humans and robots is developed. Using capability indicators it is possible to generate work sequences and to identify assembly tasks with a high suitability for human-robot interaction. The implementation of an application with a direct interaction between a human and a robot requires dedicated safety concepts, which have a direct impact on the productivity of the work system. Taking into account safety aspects and its implications as early as possible in the planning phase, the developed methodology contains an approach to calculate the maximum speed of the robot as well as of minimum distances to a hazard point depending on the type of interaction. Furthermore process building blocks for robot based assembly operations are defined, enabling the calculation of accurate cycle times. In combination with existing process building block systems for describing manual work it becomes possible to plan human-robot work systems in a common modelling language. Finally, the methodology is implemented in a software-based planning tool and its application is validated on two use cases from the automobile industry to show its practical relevance.