Mensch-Roboter-Kollaboration

Die Mensch-Roboter-Kollaboration ist vor allem durch die Nähe und die Form der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter gekennzeichnet. Bei genauerer Betrachtung gibt es noch weitere Auffälligkeiten. So haben die Roboter oft physische Merkmale, die sie mit Menschen teilen, etwa einen Arm. Zudem haben sie ähnliche Eigenschaften in Bezug auf Interaktion und Kommunikation, in manchen Einsatzbereichen auch natürlichsprachliche Fähigkeiten. Nicht zuletzt wachsen Mensch und Maschine zu einem soziotechnischen System zusammen. Der vorliegende Beitrag arbeitet solche Dimensionen heraus. Er stellt in erster Linie ontologische und ästhetische Betrachtungen an. Es geht um das Sein von Mensch und Roboter, ihren Körper, ihre Präsenz im Raum, ihre Beziehungen und Ähnlichkeiten. Dies alles mündet in ethische Betrachtungen, wobei die genannten Dimensionen den Hintergrund bilden.

Nach vier Jahrzehnten eines wirtschaftlich und technologisch erfolgreichen Robotereinsatzes in der industriellen Fertigung hat die Robotik einen Höhepunkt ihrer Entwicklung erreicht. Ingenieurtechnisch werden Roboter heute in einer herausragenden Präzision entwickelt und hergestellt und erreichen dabei eine eindrucksvolle Positioniergenauigkeit und Zuverlässigkeit im Betrieb. Dennoch können Roboter in den meisten Anwendungen der industriellen Fertigung nicht ohne den Menschen betriebssicher funktionieren, wie schon frühe Erfahrungen in der Entwicklung der Robotik gezeigt haben. Oft wird der Mensch im Prozess benötigt, um die Fehler der Roboter zu beheben.

Die Mensch-Roboter-Kollaboration gewinnt als neue Entwicklungsrichtung der Robotik heute eine immer größere Bedeutung. Die bislang üblichen trennenden Einrichtungen sollen wegfallen, Mensch und Maschine sollen in einem gemeinsamen Prozess arbeiten. Solche Anwendungen eröffnen neue Einsatzfelder der Robotik und fordern gleichzeitig eine ergonomisch und sicherheitstechnisch geeignete Gestaltung.

Die Mensch-Roboter-Kollaboration stellt aus arbeitswissenschaftlicher Sicht ein System dar, in dem der Mensch mit einem mehr oder weniger autonom arbeitenden technischen System zusammenarbeitet. Insofern ist dies ein Problem der Mensch-Automatik-Wechselwirkung. Auch wenn der Einzug von Robotern in Arbeitsbereichen wie Montage und Fertigung eine neue Entwicklung darstellt, ist das Phänomen und sind die Anforderungen an die Interaktion zwischen Roboter und Mensch in anderen technischen Bereichen bekannt und erforscht – insbesondere im Bereich der Automation des Fliegens, in der Logistik (Lagerung und Transport) und in der Prozessindustrie. Dieses Kapitel legt dar, welche Erkenntnisse aus diesen Gebieten vorliegen und analysiert deren Bedeutung für die Entwicklung einer menschengerechten Mensch-Roboter-Kollaboration.

Für das erfolgreiche Zusammenarbeiten von Mensch und Roboter in der industriellen Montage muss ein mehrstufiger und teilweise iterativer Planungs-, Simulations- und Umsetzungsprozess mit unterschiedlichen Beteiligten aus verschiedenen Disziplinen abgebildet werden.

Mit der Mensch-Roboter-Kollaboration kann eine Umsetzung von Automatisierungslösungen erfolgen, in der sowohl ergonomische und sicherheitstechnische als auch demografische Aspekte adressiert und in der die Stärken von Mensch und Roboter in idealer Weise kombiniert werden können. Im Rahmen dieses Beitrages wird dazu ein Workflow dargestellt, der Werkzeuge für die gesamte Kette vorstellt und Realisierungen von Mensch-Roboter-Kollaborationen im industriellen Umfeld bei verschiedenen Partnern aufzeigt.

Kollaborative Roboter mit hoher Nutzlast stehen vor Herausforderungen beim mechatronischen Design und der Definition von Rollen zwischen Mensch und Roboter. Die ersten in zahlreichen Forschungsprojekten entwickelten Prototypen der kollaborativen Schwerlastroboter haben gezeigt, dass solche Roboter dem Menschen bei der Handhabung von Schwerlasten enorm helfen, und ihn dadurch vor gesundheitsschädlichen Arbeitsbelastungen schützen. Durch leistungsstarke Sensorik und fortgeschrittene Steuerungstechnik wird diese Aufgabe machbar. Dabei ist es auch möglich, die strengen Bedingungen der Sicherheitsstandards, wie bei kleinen Robotern, zu erfüllen und Sicherheit der Menschen trotz höherer Trägheit des Roboters und höherer Lasten zu gewährleisten. In diesem Beitrag werden diese Herausforderungen im Kontext mehrerer Taxonomien der Mensch-Roboter-Kollaboration und industrieller Anwendungen analysiert und erklärt.

Die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) steht auf Messen und Konferenzen im Kontext der Robotik im Vordergrund. Firmen, die sich derzeit noch nicht mit dem Thema auseinandersetzen, sind teilweise verunsichert, ob sie eine wichtige Entwicklung verpassen. Dieser Beitrag stellt dar, dass es gute Gründe dafür gibt, das Thema MRK nicht zu hoch zu bewerten.

Die Entwicklung kollaborativer, robotischer Systeme, die direkt mit dem menschlichen Nervensystem interagieren, verspricht, die Autonomie, Lebensqualität und Leistungsfähigkeit von Menschen mit Behinderungen, beispielsweise nach einem Schlaganfall oder einer Rückenmarksverletzung, substanziell zu verbessern. Durch die direkte Übersetzung elektrischer, magnetischer oder metabolischer Hirnaktivität ermöglichen solche Systeme die aktive und intuitive Steuerung tragbarer Exoskelette, die beispielsweise bei Greif- oder Laufbewegungen assistieren. So wurde es Querschnittsgelähmten mit kompletter Fingerlähmung ermöglicht, erstmals wieder selbstständig zu essen und zu trinken. Zudem konnte gezeigt werden, dass der wiederholte Einsatz solch neural-gesteuerter Exoskelette unter bestimmten Voraussetzungen auch zu einer Wiederherstellung verlorengegangener motorischer Funktionen führen kann. Trainierten Schlaganfallüberlebende mit chronischer Fingerlähmung über mehrere Wochen hinweg täglich mit einem solchen Exoskelett, so wiesen sie eine deutliche Verbesserung ihrer Arm- und Handfunktion auf. Um neural-gesteuerte Robotik in die breite medizinische Versorgung zu integrieren, müssen jedoch noch eine Reihe wissenschaftlich-technischer sowie rechtlich-regulatorischer Herausforderungen gemeistert werden. Neben einer Übersicht über den Stand der Technik sowie die aktuellen Herausforderungen in der Weiterentwicklung neural-gesteuerter robotischer Systeme werden in diesem Kapitel mögliche Lösungsansätze und Anwendungsperspektiven skizziert.

Während die Mensch-Roboter-Kollaboration in der Industrie Einzug hält und die normativen Vorgaben der einschlägigen Richtlinien den schutzzaunlosen Einsatz von Industrierobotern seit einigen Jahren erlauben, ist dies in der Medizintechnik schon viel länger möglich. Wie kann das sein? Zu erwarten wäre doch, dass in der Medizin noch viel strengere Regeln gelten als in der Produktion. Dieser Beitrag gibt einen Einblick in die Hintergründe und stellt einige konkrete Anwendungen dar.

In der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) arbeiten heute in der Industrie Mensch und Roboter auf engstem Raum zusammen. Wer Arbeitssysteme gestaltet, in denen Mensch und Roboter Hand in Hand arbeiten, steht vor dem Problem, dass kaum hinreichend konkrete Vorgaben für eine sichere und menschengerechte Gestaltung zur Verfügung stehen. Vor diesem Hintergrund befasst sich der Beitrag mit der Frage: Wie muss ein Mensch-Roboter-Arbeitssystem gestaltet sein, damit die Bedürfnisse des Menschen mindestens nicht verletzt, besser: positiv erfüllt werden? Ausgehend von der Fachliteratur und Erfahrungen aus der Praxis diskutiere ich normative Konzepte und praktische Orientierungsmodelle einer partizipativen Arbeitsgestaltung. Behandelt werden zunächst Kriterien für die Gestaltung und die Abschätzung der Folgen für die Beschäftigten: Die Akzeptanz gegenüber der Technik, die Interaktion von Technik und Mensch als Team sowie verschiedene Gesichtspunkte der ergonomischen Gestaltung. Hierzu zählen die Vermeidung von Verletzungen, die Vorhersehbarkeit der Roboterbewegungen, die Adaptierbarkeit und die Berücksichtigung vorhersehbarer Situationen. Ein in der Praxis besonders schwierig zu handhabendes Thema sind darüber hinaus die psychischen Belastungen. Auch hier werden Kriterien diskutiert, unter anderem die psychische Ermüdung durch übermäßig in Anspruch genommene Aufmerksamkeit, der vermutete Eigensinn der Technik und die mögliche soziale Isolierung. Anschließend werden Anforderungen an eine verantwortliche Arbeitsgestaltung behandelt. Es wird eine Differenzierung von Grunwald (2008) aufgegriffen, der zufolge Technikgestaltung relational, reflexiv und prozedural erfolgen muss. Diese Anforderungen werden mit Blick auf die Mensch-Roboter-Kollaboration erläutert.

Die direkte Zusammenarbeit von Robotern und Menschen gewinnt in privaten, kommerziellen und industriellen Lebensbereichen stetig an Bedeutung. Dabei findet diese Form der Interaktion kooperativ oder kollaborativ unter gemeinsamer Zielsetzung in unmittelbarer räumlicher und zeitlicher Nähe statt. Eine Möglichkeit, die Zusammenarbeit intuitiver und effektiver zu gestalten, bietet die Anwendung anthropomorpher Merkmale auf das Design des Roboters. Doch auch wenn eine anthropomorphe Gestaltung, im Sinne von Form, Kommunikation, Bewegung und Kontext, die Akzeptanz und Koordination fördern kann, bilden sich im Zuge von vermenschlichten Interaktionen neue Herausforderungen. Neben dem Phänomen des „Uncanny Valleys“ und der Problematik des erwartungskonformen Designs, erzeugt vor allem das Spannungsfeld zwischen Funktionalität und Anthropomorphismus eine zentrale Problematik. Dabei zeigt sich in der differenzierten Analyse, dass letztendlich der Kontext der Interaktion entscheidet, inwieweit Anthropomorphismus eingesetzt werden kann, ohne dabei die Zweckgebundenheit des Roboters zu konterkarieren.

Dieser Beitrag beschreibt die Erstellung eines Experimentaldesigns, das mit Hilfe reliabler Probandenversuche in einem MRK-Full-Scope-Simulator die Frage beantworten soll, ob und wie unterschiedliche Trajektorien aus der robotischen Bahnplanung hinsichtlich Situationsbewusstsein und Erwartungskonformität aus der Sicht des kollaborierenden Menschen differenziert wahrgenommen werden. Nur wenn der Mensch in einer Mensch-Roboter-Kollaboration frühzeitig erkennen kann, was der Roboter tut oder tun wird, ist eine Ad-hoc-Aufgabenverteilung sinnvoll realisierbar. Das langfristige Ziel dieser Forschung ist es, eine Handlungsempfehlung für die Bahnplanung im Rahmen der Errichtung von MRK-Systemen zu erstellen, die es ermöglicht, sichere und erwartungskonforme Roboterbewegungen einfach und schnell zu programmieren.

Bisher ist die Zusammenarbeit von Menschen mit autonomen Agenten noch sehr eingeschränkt und künstlich. Um zu einer möglichst natürlichen Zusammenarbeit in der Mensch-Roboter-Kollaboration zu kommen, werden Ansätze benötigt, die auf den menschlichen Fähigkeiten der Antizipation anderer fußen. Der Frage wird nachgegangen, wie der Mensch in der Lage ist, Kollaborationspartner zu antizipieren und mit ihnen indirekt zu kommunizieren. Weitere Fragen sind, wie mögliche kritische Situationen vorhergesehen werden können und wie eine flexible Aufgabenallokation realisiert werden kann. Die Integration kognitiver Modellansätze kann einem autonomen Agenten antizipative Fähigkeiten verleihen. Vorgestellt werden hierzu Umsetzungen mentaler Modelle spezifischer Situationen (1), spezielle Eigenschaften des Kooperationspartners (2) als auch der möglichen Handlungen und deren Auswirkungen des Agenten selbst (3). Es werden Beispiele aus dem Feld der kognitiven Assistenz herangezogen, in welcher ebenfalls Kollaborationspartner antizipiert werden. Des Weiteren ist die Fähigkeit, schnellere und flexiblere Lernformen zu verwenden, gegeben. Die Integration kognitiver Systemansätze in autonome Systeme könnte einige derzeit bestehende Probleme, wie die fehlende Transparenz und Anpassung an die Nutzer, weitreichend lösen.

Die Anforderungen an den Dialog zwischen Mensch und Maschine haben in der digitalen Transformation eine neue Qualität erlangt. Der menschliche Nutzer beobachtet und bedient elektronisch gekoppelte, autonom-agierende Fahrzeuge sowie Roboter und greift im Grenzfall selbst als Regler ein. Der Mensch ist eingebunden in den multidirektionalen Dialog von einer Vielzahl intelligenter und verteilter Komponenten. Sowohl in den intelligenten Produktionslinien, der MRK-unterstützte Fertigung als auch in der Bordelektronik autonomer Fahrzeuge wird hierfür zunehmend eine Echtzeit-Kommunikation innerhalb und zwischen den verteilten, intelligenten Komponenten erforderlich sein. Das 5G-Area-Netzwerk löst diese Herausforderungen der Echtzeit-Kommunikation und eröffnet durch effizientere Internet- und Cloudanbindungen neue Möglichkeiten im digitalen Zeitalter. Mit Hilfe des 5G-Umfeldes ist nun eine Echtzeit-gestützte Regelungsschleife für IoT-Anwendungen realisierbar.

Die Digitalisierung des Gesundheitswesens sowie die Auswirkungen des demografischen Wandels stellen das angespannte Gesundheitssystem vor neue Herausforderungen. Dazu zählen eine schwierige Personalsituation, hohe Kosten, Patientensicherheit, die Zunahme an Dokumentationsverpflichtungen sowie infrastrukturelle Probleme. Mit zunehmendem Druck auf das System steigen die Anforderungen sowie die Belastung und Beanspruchung des medizinischen Personals. Unterstützung sollen Medizinische Informationssysteme (MIS) und zukünftig auch Pflegeroboter leisten. Roboter werden bereits z. B. in verschiedenen Bereichen von Krankenhäusern unterstützend eingesetzt. Dabei ist nicht nur die Anbindung an bestehende Systeme herausfordernd, sondern auch die verstärkte Zusammenarbeit zwischen Menschen und Robotern. Standardisierungen und Strukturen des Gesundheitswesens sollten sowohl auf technischer, auf organisationaler als auch auf Ebene der Datenstrukturen Berücksichtigung finden.

Der Einsatz von Servicerobotik im Pflegekontext kann Chancen für die gute Gestaltung von Pflegeberufen bieten und dabei unterstützen, den Pflegebedarf auch zukünftig decken zu können. So können neue Roboter und Anwendungen vielfältige Aufgaben im Pflegekontext übernehmen und Pflegekräfte bei ihrer Arbeit unterstützen oder von Tätigkeiten entlasten. Um jedoch Servicerobotik erfolgreich einzusetzen, braucht es eine systematische Betrachtung des gesamten soziotechnischen Systems. Dazu gehören neben dem Roboter selbst auch die verschiedenen Akteure, die mit ihm in Kontakt kommen, sowie deren vielfältige Verbindungen untereinander. Im Folgenden wird ein Modell vorgestellt, das genutzt werden kann, um konkrete Gestaltungsansätze für solche Systeme im Allgemeinen wie auch im Speziellen abzuleiten.

Vorbehalte gegenüber dem Einsatz von Robotik im Pflegebereich sind noch immer weit verbreitet. F&P Robotics ist der Überzeugung, dass eine sinnvolle Gestaltung der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter zu einer Entlastung des Fachpersonals und zu mehr Lebensqualität für betreute Personen führt. Dieser Beitrag beschreibt die Erfahrungen bei der Entwicklung, Erprobung und Kommerzialisierung von Assistenzrobotern aus Sicht der Firma F&P Robotics AG. F&P erprobt derzeit den Einsatz von Assistenz-Robotern in einer Rehaklinik in der Schweiz und einem Alterszentrum in Deutschland. Im ersten Teil des Beitrags werden die Sicherheitsaspekte und Normen sowie Datenschutzbestimmungen thematisiert. Im zweiten Teil werden aktuelle Use Cases und deren Nutzen erläutert sowie auf die zuvor abgeklärten ethischen Fragen eingegangen. Die Resultate der ersten Evaluationen der Mensch-Roboter-Interaktion werden ebenfalls im zweiten Teil präsentiert.

In einem Kaltwalzwerk finden viele Vorgänge statt, bei denen Computerprogramme einen Teil der Prozesskette abbilden, unterbrochen von manuellen Eingriffen, Korrekturen oder zur Überbrückung von Prozesslücken. Diese im klassischen Maschinenbau angesiedelten Tätigkeiten umfassen (aktuell noch) keine Mensch-Roboter-Kollaboration. Anhand der allgemeinen Betrachtung der Schnittstelle Mensch-Maschine am Beispiel des Berufsfeldes „Walzer“ in der Produktion soll analysiert werden, ob Herausforderungen, denen man sich bei der Einführung von Mensch-Roboter-Kollaborationen stellen muss, übertragbar sind und so bereits im Vorhinein antizipiert und aktiv bewältigt bzw. vermieden werden können. Wesentliche Entwicklungsschritte der Veränderung erforderlicher technischer Kenntnisse des Berufsfeldes Walzer sollen beschrieben werden. Die abstrahierte Kausalitätskette wird durchleuchtet und kritische Einflussgrößen werden benannt.

Für die zukünftige Gestaltung der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) sind weitere Entwicklungen in einer Vielzahl von Disziplinen und Forschungsbereichen erforderlich. Die Breite der interdisziplinären Forschungsarbeit ist in diesem Kontext enorm und das Wissenschaftsgebiet – nicht zuletzt auf Grund der hohen Interdisziplinarität – recht unübersichtlich. In der Diskussion im Rahmen des Ladenburger Diskurses zur Mensch-Roboter-Kollaboration war man sich einig, dass Leitlinien für kommende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sehr sinnvoll wären und die Forscher in die Lage versetzen würden, ihre Arbeiten in dem breiten Thema zu strukturieren und zu positionieren. Dopplungen und Redundanzen sollen dabei vermieden, Synergien und Kooperationen gefördert werden. Da bereits erste vergleichbare Ansätze existieren, beispielsweise aus dem Bereich der Ergonomie, werden diese im Rahmen der Ladenburger Thesen zur zukünftigen Gestaltung der Mensch-Roboter-Kollaboration aufgegriffen und ein erweiterter Thesensatz formuliert. Die in diesem Kapitel formulierten Thesen liegen als Ergebnis des Diskurses vor. Sie stellen eine Diskussionsbasis dar und bleiben dabei offen für Adaptionen und Erweiterungen.