Zukunft der manuellen Fertigung 29.09.2020, 14:25 Uhr

Hightech-Montagetisch als perfekter Assistent

Herkömmliche Assistenzsysteme für komplexe Montageprozesse bremsen Werker oftmals aus. Ein prototypischer Montagetisch, entwickelt vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB im Auftrag von Strategy&, der Strategieberatung von PwC, weist einen besseren Weg. Die Integration videogestützter Erfassung des Werkers und seines Arbeitsumfelds erlaubt eine intuitive und personalisierte Interaktion. Zwei Roboterarme gehen dem Menschen effektiv zur Hand.

Bild 1. Der Montagetisch-Demonstrator mit zwei Roboterarmen und hinter der oberen Blende versteckter Kamera-/Projektor-Einheit. 
Bild: Fraunhofer IOSB

Bild 1. Der Montagetisch-Demonstrator mit zwei Roboterarmen und hinter der oberen Blende versteckter Kamera-/Projektor-Einheit. Bild: Fraunhofer IOSB

Ausgabe 9-2020 / S. 577

Individualisierbare Lösungen stellen etablierte Montage­prozesse vor große Herausforderungen. Der Bedarf nach Variantenvielfalt erhöht den Aufwand in der Produktionslogistik und Ablaufplanung beträchtlich. So müssen alle Montagepläne sowie qualitätssichernde Maßnahmen angepasst und Mitarbeiter entsprechend geschult werden.

Zur Unterstützung bieten sich Assistenzsysteme an, die Montagepläne mit einer Schritt-für-Schritt-Bebilderung auf in der Nähe angebrachten Monitoren oder einer Tischprojektion darstellen. So kann Montagemitarbeitern in intuitiver Weise der jeweils nächste Schritt angezeigt werden. Üblicherweise ist dessen erfolgreiche Durchführung durch eine manuelle Eingabe zu bestätigen, etwa indem ein eingeblendeter Knopf gedrückt wird. Die enge Führung durch alle Arbeitsschritte soll insbesondere helfen, Fehlerschlupf zu vermeiden. Der zusätzliche Quittierungsaufwand bremst die Montagemitarbeiter jedoch – und vielleicht noch schlimmer: Ein solches System hindert die Werker, nach individuellen Strategien und anhand von Erfahrungswerten vorzugehen, indem alternative, möglicherweise effizientere Abläufe pauschal unterbunden werden.

Wie diese Nachteile umgangen und die Unterstützung der Montagemitarbeiter auch sonst auf ein neues Niveau gehoben werden kann, zeigt der hier vorgestellte „CoBot“-Demonstrator, entwickelt in einem Kooperationsprojekt von Strategy&, der Strategieberatung von PwC, und Fraunhofer IOSB [1]. Dieser Prototyp eines Montagetischs der Zukunft kombiniert die beschriebenen Assistenzfunktionalitäten mit unterstützender Mensch-­Roboter-Kollaboration und fortschrittlicher Erfassungstechnologie. Das Gesamtsystem kennt also nicht nur den Arbeitsablauf, sondern es kann dem Werker auch physisch zur Hand gehen und ist permanent über seine Handlungen und sein Arbeitsumfeld „im Bilde“, so dass es darauf individuell reagieren kann.

Flexibler Aufbau und KI-gestützte Nutzer­erfassung

Der Tisch (Bild 1) besteht aus einer konventionellen Arbeitsplatte, Materialkisten, einem Dachaufbau mit integriertem Projektor und Kameras sowie zwei Roboterarmen des Typs Kuka „LBR iiwa 7 R800“ – jeweils links als kooperativer Greifer mit einem Schunk-Greifer des Typs „WSG 050“ und rechts als beweg­bare Kamera- und Projektoreinheit. Der Projektor im Dachaufbau stellt auf dem Tisch die heute gängige bebilderte Anleitung dar. Der bewegliche Projektor am Roboterarm hingegen erlaubt das kontrollierte Anleuchten beliebiger Positionen, zum Beispiel von zu verschraubenden Gewinden oder zum Nachstellen von Pick by Light-Hinweisen für die Material­kisten (Bild 2).

Bild 2. Blick aus Werker-Perspektive. Der linke Roboterarm hält das ‧Werkstück, die zusätzliche Kamera-/Projektoreinheit rechts erlaubt unter ‧anderem zusätzliche Leuchthinweise (Pick-by-Light). Bild: Fraunhofer IOSB

Somit ergibt sich ein flexibler Aufbau, der durch die verbauten Kameras in Verbindung mit der Kompetenz des Fraunhofer IOSB zur KI-gestützten Nutzererfassung vielfältige Möglichkeiten für intuitive und innovative Mensch-Maschine-­Interaktionen eröffnet. Die integrierten Technologien erlauben es unter anderem, den Produktionsmitarbeiter zu identifizieren und seine Kopf­drehung und den Fokus seiner Aufmerksamkeit zu erkennen. Seine Körperpose inklusive beider Arme und Hände wird erfasst und im Rahmen eines digitalen Skelettmodells nachvoll­zogen.

Personalisierbare, situationsadäquate Assistenzfunktionen

Nutzer, die sich an den Tisch stellen und ihre Arbeit beginnen, werden automatisch identifiziert und angemeldet. Das System kann dann personalisierbare Assistenzfunktionen laden und individuell auf die Nutzerin/den Nutzer eingehen. Weniger erfahrene Montagemitarbeiter könnten so beispielsweise eine engere Führung und detailliertere Anleitung dargestellt bekommen. Das Erfassen von Kopfdrehung und Aufmerksamkeit erlaubt zudem zukünftig nachzuvollziehen, ob der Mitarbeiter dargestellte Anleitungen wahrgenommen hat, aufmerksam einer Aufgabe nachgeht, nach Materialien sucht oder im Gespräch mit Kollegen vertieft ist. Dementsprechend kann eine Unterstützung passgenau, situationsadäquat und unaufdringlich gestaltet werden.

Die Körperposenerfassung ermöglicht unmittelbare Aussagen über die Arbeitsplatzergonomie und erlaubt eine proaktive Höhenverstellung des Tischs, um das Arbeitsumfeld an die gemessene Körpergröße des Mitarbeiters anzupassen. Darüber hinaus eröffnet die Körperposenerfassung jedoch noch viel weitreichendere Chancen für intelligente Assistenzfunktionen, die die derzeit gängige Quittierung durch Drücken des „Weiter“-Knopfs obsolet werden lassen: Sämtliche Bewegungen des Montagemitarbeiters lassen sich anhand des Skelettmodels leicht interpretieren. Griffe zu bestimmten Positionen am Tisch, zum Beispiel in Materialkisten, werden somit schnell nachvollziehbar. Gleiches gilt für die Nutzung von Werkzeugen sowie weitergehende Aktivitäten. Auch spezielle Eingabegesten, etwa um das vom Roboterarm gehaltene Werkstück zu drehen, sind realisierbar.

Bildverarbeitung in Echtzeit und datenschutzkonform

Sämtliche Funktionen arbeiten in Echtzeit. Die aus den Bilddaten gewonnenen Informationen werden in anonymisierter Form verarbeitet und das von den Kameras gelieferte Bildmaterial wird nach der Auswertung sofort gelöscht. Eine unerwünschte personenbezogene Auswertung wird somit erschwert und kann durch zusätzliche Sicherheitsmechanismen effektiv unterbunden werden, wodurch Assistenzfunktionen auch konform zu deutschen Datenschutzrichtlinien umgesetzt werden können.

Gegenstand der aktiven Forschung am Fraunhofer IOSB ist die Entwicklung weiterführender Wahrnehmungs- und Assistenzfunktionen, die den Werker nicht nur beobachten, sondern zu jedem Zeitpunkt erkennen können, welcher Arbeitsschritt gerade durchgeführt wird. Um den Werker optimal unterstützen und proaktiv kooperieren zu können, ist es essenziell, dass Montageassistenzsysteme lernen, den Werker, seine Handlungen und Bedarfe immer besser zu verstehen. Nur so wird eine optimale, zielgerichtete Unterstützung möglich, die den Menschen nicht einengt und bremst, sondern Freiheiten schafft und jeweils im Bedarfsfall die angemessene Unterstützung anbietet – kurzum eine Montagezukunft, die ganz den Montagemitarbeiter und seine Bedürfnisse in den Mittelpunkt stellt.

Literatur

  1. Lengenfelder, C.; Frese, C.; Zube, A.; Voit, M.; Beyerer, J.: A Cooperative HCI Assembly Station with Dynamic Projections. 52nd International Symposium on Robotics, 2020

Von Christian Lengenfelder, Michael Voit

Christian Lengenfelder; Dr.-Ing. Michael Voit – Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, Fraunhoferstr. 1, 76131 Karlsruhe, Tel. +49 (0)721 / 6091-384, christian.lengenfelder@iosb.fraunhofer.de, michael.voit@iosb.fraunhofer.de, www.iosb.fraunhofer.de/IAD

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