Mensch-Roboter-Kollaboration Neues System vernetzt Exoskelett und Cobot

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Forschende der TU München vernetzen ein Exoskelett und einen Roboterarm für einen direkten Austausch. Das neue System entlastet Facharbeiter beim Heben schwerer Bauteile deutlich und vereinfacht Arbeitsabläufe in der Fabrik.

In industriellen Fertigungshallen arbeiten Menschen und Roboter meist strikt voneinander getrennt. Sicherheitsvorgaben erfordern in der Regel, dass ein Roboter seine Aufgabe beendet, bevor ein Facharbeiter den nächsten Arbeitsschritt übernimmt. Federico Masiero vom Lehrstuhl für Intelligente Bio-robotische Systeme der Technischen Universität München (TUM) erklärt die Herausforderung: „Das kann etwa bei der Qualitätsprüfung von Bauteilen anstrengend werden, die immer wieder hochgehoben und abgesetzt werden müssen.“

Um diese Abläufe zu verbessern und Anwender körperlich zu schonen, hat ein Team um Professor Lorenzo Masia am Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (MIRMI) das System Weara-Cob entwickelt. Der Name steht als Kurzform für die englischen Begriffe „wearable“ und „collaborative“. Die Technologie kombiniert ein Exoskelett für den Oberkörper mit einem einarmigen, kollaborativen Roboter, einem sogenannten Cobot. Diese Vernetzung erlaubt es dem Menschen, schwere Lasten leichter zu heben, während die Maschine ihn dabei aktiv und sicher unterstützt.

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Sensoren übermitteln das Gewicht in Echtzeit

Das Exoskelett tragen die Mitarbeiter ähnlich wie einen Rucksack auf dem Rücken. Dort befindet sich ein Elektromotor, von dem dünne, reißfeste Drähte über die Schultern nach vorne zu speziellen Ellenbogenschonern verlaufen. Sobald der Motor an diesen Drähten zieht, nehmen sie dem Bizeps im Oberarm einen wesentlichen Teil der Arbeit ab. In der Grundeinstellung kompensiert die Konstruktion genau das Eigengewicht der menschlichen Arme.

Die Besonderheit von Weara-Cob liegt in der direkten Kommunikation zwischen Roboter und Exoskelett. Reicht der Roboterarm dem menschlichen Kollegen einen Gegenstand, wiegt er diesen im selben Moment. Das exakte Gewicht übermittelt die Maschine per Funk an das Exoskelett. Der Elektromotor auf dem Rücken passt daraufhin die Zugkraft der Drähte präzise an die Masse des Objekts an.

Deutlich weniger Muskelkraft erforderlich

Aktuelle Untersuchungen der Universität zeigen, dass diese Kombination den Kraftaufwand für die Muskulatur um bis zu 65 Prozent senkt. Das System berücksichtigt dabei nicht nur das reine Gewicht, sondern auch die Form der Objekte. „Um auch mit asymmetrischen Bauteilen zurechtzukommen, bestimmt der Roboter zudem deren Schwerpunkt“, sagt Masiero. Der Forscher nennt den konkreten Nutzen: „Vorteil: Es ist möglich, den einen Arm mehr zu unterstützen als den anderen, die Belastungen also auszubalancieren.“

Zwar funktionieren Schulter-Exoskelette auch ohne die direkte Roboteranbindung. Bisher messen Systeme dafür meist die Muskelaktivität im Oberarm über Sensoren, um den Kraftbedarf zu ermitteln. Diese Methode liefert zwar verlässliche Ergebnisse mit Abweichungen von lediglich einem halben bis einem Kilogramm. Allerdings müssen Anwender die Sensoren vor jedem Einsatz aufwendig auf der Haut anbringen. Für den Arbeitsalltag in einer Fabrik erweist sich dieses Vorgehen oft als unpraktisch.

Einfache Programmierung ohne Code

Der verwendete Roboterarm verfügt über sieben Gelenke. Diese Bauweise sorgt für die nötige Beweglichkeit und Sicherheit im direkten Kontakt mit dem Menschen. Sobald sich der Cobot einer Person nähert, drosselt er automatisch seine Geschwindigkeit. Neben der körperlichen Entlastung für Facharbeiter hebt Professor Lorenzo Masia einen weiteren Aspekt hervor: „Wir konnten nicht nur zeigen, dass man die Kolleginnen und Kollegen in der Fabrik gezielt entlasten kann, sondern auch, wie einfach es ist, dem Cobot etwas beizubringen.“

Die Maschine wird programmiert, indem der Roboterarm einfach per Hand geführt wird. Masia betont: „Es ist keine einzige Zeile Code nötig. Das ist ein riesiger Vorteil gegenüber vielen Robotern, die aktuell in Fabriken abgeschirmt von Menschen zum Einsatz kommen.“ (mc)

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