Wie Mensch und Roboter in der Industrie enger zusammenrücken

In der Industrie der Zukunft spielt die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine die entscheidende Rolle, nicht die Technologie selbst. © Gorodenkoff/AdobeStock

Bei der Industrie 4.0 ist alles möglichst hochgradig vernetzt und automatisiert. Doch die Industrie geht schon den nächsten Schritt. Im Interview erklärt Carmen Constantinescu vom Fraunhofer-Institut, warum der Mensch wieder mehr in den Fokus rückt und welche Technologien dessen Produktivität, Gesundheit und Wohlbefinden künftig steigern.

Technologien, die den menschlichen Körper unterstützen, entlasten, verbessern – das klingt für viele nach Science-Fiction. Dabei sind sie längst Teil unseres Alltags. Wie verändert sich die Art und Weise, wie wir in der Industrieproduktion in Zukunft arbeiten werden?

Die Industrie 4.0 hat unzählige Unternehmen und ganze Branchen ins digitale Zeitalter katapultiert und die globale Vernetzung sowie hochautomatisiere Fertigungsumgebungen massiv vorangetrieben. Technologien und Systeme wie Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR), kollaborative Roboter und Exoskelette, KI-basierte Assistenzsysteme sind heute vielerorts schon Realität und unterstützen den Menschen bei flexiblen und ergonomischen Produktionsprozessen sowie der Entscheidungsfindung auf allen Ebenen. Doch wir sind noch ganz am Anfang. Und die vierte industrielle Revolution, in der wir uns im Moment alle sehen, ist längst nicht mehr der Rahmen, in dem wir uns bewegen. Stattdessen läuft bereits der nächste Wandel. Er tritt durch die Corona-Krise jetzt sogar noch deutlich schneller und bewusster hervor.

Sie sprechen dabei von einem menschzentrierten Ansatz der modernen Produktion. Was ist damit gemeint?

Bei der sogenannten „Industrie 5.0“ ist nicht mehr so sehr die Technologie der entscheidende Faktor, sondern die Zusammenarbeit von Mensch und immer intelligenteren Maschinen – bis hin zum direkten Nebeneinander. Insbesondere die Vorteile der Robotik werden dabei mit den einzigartigen kognitiven Fähigkeiten des Menschen kombiniert. Künstliche Intelligenz, die ihrem Namen gerecht wird, erzieht Maschinen zu kollaborierenden Robotern, die den Menschen nicht ersetzen, sondern in seinem Tun sinnvoll und nachhaltig ergänzt. Diese Verschiebung wird in zunehmendem Maße zu einer symbiotischen Beziehung zwischen Maschinen und Mensch führen. Und hier liegt das Potenzial, noch smartere und effizientere Fabriken zu schaffen, was in mehr Produktivität, besseren Produkten, Kosteneinsparungen, schnelleren Lieferzeiten und mehr zufriedenen Kunden mündet. So gesehen befinden wir uns bereits mittendrin in der nächsten Transformation. Für den Wandel braucht es jetzt allerdings neue Arbeitsmodelle und Strategien, um die klassischen ingenieurwissenschaftlichen Planungs- und Optimierungsmethoden mit den neu aufkommenden Technologien weiterzuentwickeln.

Aber wird der zunehmende Trend zur Automatisierung nicht auf Dauer zu Jobverlusten führen?

Es ist nicht bewiesen, dass der Vormarsch von Industrie letztendlich zu weitreichenden Arbeitsplatzverlusten in allen Industriesektoren führt. Natürlich wird die Automatisierung immer effizienter und kommt immer häufiger zum Einsatz. Und es werden einige traditionelle Industriejobs zweifellos aussterben. Diese werden jedoch unweigerlich durch andere aufstrebende Disziplinen ersetzt, untermauert durch die neue und stark kooperativ geprägte Beziehung zwischen Mensch und Maschine. Der Mensch passt sich dieser Entwicklung mit neuen Ausbildungs- und Trainingsprogrammen an und erwirbt zusehends die erforderlichen Fähigkeiten und Kenntnisse, um die neuen Technologien nicht nur zu verstehen und zu beherrschen, sondern sie mitzugestalten – menschenzentrierter. Wir beim Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation unterstützen zahlreiche solcher Programme: So setzen Unternehmen in der Bau- und Logistikbranche gemeinsam mit uns entwickelte Exoskelette ein, um die Gesundheit ihrer Arbeiter zu schützen. Einige namhafte Automobilhersteller nutzen vermehrt Exoskelette und Cobots, um Arbeiter mit Behinderungsgrad oder ältere Mitarbeiter besser in die betrieblichen Abläufe zu (re)integrieren – und sie nicht einfach auf einen Bürostuhl zu versetzen.

 

„Der Mensch erwirbt erforderliche Fähigkeiten und Kenntnisse, um die neuen Technologien nicht nur zu verstehen und zu beherrschen, sondern sie mitzugestalten.“

Was sind Vorteile von Exoskeletten und kollaborativen Robotern? 

Wir messen regelmäßig die Qualität von Arbeitsplätzen in der Produktion. Krankheitsbedingte Fehlzeiten und Frühverrentungen sind häufig auf Muskel- und Skeletterkrankungen zurückzuführen. Zeitdruck, schwere Lasten, Arbeiten über Kopf, enge Räume, unbequeme Körperhaltung – das hinterlässt Spuren. In der Industrie sind Exoskelette daher überall dort sinnvoll, wo kraftzehrende, monotone und gesundheitsgefährdende Arbeitsabläufe nicht durch vollautomatisierte Robotersysteme ersetzt werden können, beispielsweise in der Montage, in der Logistik und auf Baustellen. Die Arbeiter können sich auf komplexere Aufgaben konzentrieren, für die ihre menschliche Expertise gefragt ist. Auch fahrerlose Transportsysteme entlasten. Kollaborative Roboter wie Cobots können dagegen mit dem Menschen interagieren und benötigen nicht die gleiche Sicherheitseinrichtung wie der klassische Industrieroboter im Käfig. Ich bin felsenfest davon überzeugt, dass die Synergie zwischen all diesen Technologien über die echte „Mensch-Roboter-Kollaboration“ hinausgeht und künftig die „ultimative“ Kollaboration ermöglicht, bei der sich Roboter und Maschinen an den Arbeiter anpassen. So schaffen wir die nächste Generation menschzentrierter Arbeitsplätze, mit Robotern als Teammitgliedern.

Welche Fortschritte gab es bei Exoskeletten in den vergangenen Jahren und wohin geht die Entwicklung in der Zukunft?

Exoskelette sind heute und künftig überall dort vielversprechend, wo kleine Losgrößen, komplexe  Aufgaben und dafür menschliche Präzision gefragt sind. Sie verbessern darüber hinaus die Leistungs- und Konzentrationsfähigkeit sowie den Kraftaufwand des Nutzers bei Lasten bis zu 35 Kilogramm. Und durch den Einsatz wird die allgemeine Sicherheit am Industriearbeitsplatz erhöht; Unfallrisiken und die Prädisposition für Erkrankungen sinken. Die Anschaffungskosten dieser Spezialausrüstung schrecken sicherlich manche Unternehmen immer noch ab. Zu den Listenpreisen kommen gegebenenfalls Kosten für individuelle Anpassungen an die jeweilige Produktionsumgebung. Aber mit der zunehmenden Verbreitung werden in den nächsten Jahren die Marktpreise fallen. Für die Investitionen bekommt man aber auch mehr: Die Exoskelett-Technologie ist wesentlich ergonomischer geworden, der Tragekomfort hat deutlich zugenommen. Um die Anwendung für den Benutzer so einfach wie möglich zu gestalten, erfassen zusätzliche Sensoren die Muskelbewegung. Das vereinfacht die Bedienung. Die Weiterentwicklung in den nächsten Jahren zielt auf längere Einsatzzeiten hin, denn momentan kann ein Exoskelett nicht durchgehend acht Stunden getragen werden. Außerdem wird weiter an der Akku-Technologie gearbeitet. Wir nutzen zur Modellierung, Simulation und Optimierung von Exoskelett-integrierten Arbeitsplätzen einen „digitalen Zwilling“, der die biomechanischen Eigenschaften der Gelenke, der Muskeln sowie der menschlichen Bewegungskinematik mit Fertigungsprozessmodellen koppelt. Davon versprechen wir uns einige interessante neue Ansätze.

Mit Technologien wie Cobots wird die Fabrik zur Smart Factory. © BigBlueStudio/AdobeStock

Exoskelette können das Heben und Tragen erleichtern. © Gorodenkoff/AdobeStock

Welche Rolle spielen bei deren Entwicklung der demographische Wandel und der Fachkräftemängel?

Der demografische Wandel ist einer der größten Herausforderungen der westlichen Industrieländer: Das Durchschnittsalter der Bevölkerung und der Anteil der Menschen über dem Rentenalter steigen. Dieser Megatrend beeinflusst direkt den Arbeitsmarkt. Schon heute bedarf es daher wirkungsvoller Strategien, um die richtigen Antworten auf die drängenden Fragen der Zukunft zu haben. Investitionen in gesundes Altern sind ein zentraler Ansatz für mehr Nachhaltigkeit in der Industrie. Bedeutet: Betriebe werden ihre Arbeitsplätze zunehmend an die Bedürfnisse älterer Menschen anpassen müssen. Um Arbeitnehmer mit ihren Erfahrungswissen und kognitiven Fähigkeiten zu unterstützen, weiter aktiv am Berufsleben teilzuhaben, stellt der Einsatz von Technologien wie Exoskeletten und Cobots in diesem Zusammenhang eine Art Elixier dar: Sie verlängern das Arbeitsleben in Richtung aktiver und gesund alternder Arbeitnehmer. In unseren Studien konnten wir feststellen, dass Exoskelette nicht nur entlasten und den Komfort erhöhen, sondern insgesamt die Zufriedenheit am Arbeitsplatz und das Benutzererlebnis steigern. Mit einem wichtigen Effekt: Industriearbeitsplätze werden dadurch wieder attraktiver für die jüngere Generation und auch für Frauen.

Womit lässt sich Akzeptanz bei den Mitarbeitern fördern, die mit solchen Technologien arbeiten müssen?

Wir führen mit Konzernen und KMUs verschiedene Projekte durch, die darauf abzielen, die Akzeptanz neuer Robotertechnologien und -systeme zu erhöhen. Daran beteiligt sind Prozessplaner, Experten für Ergonomie und Sicherheitsingenieure, Arbeitsmediziner, Produktionsleiter und Mitglieder unseres Forschungsteams. Was aber am allerwichtigsten ist: Wir binden die Mitarbeiter bei Pilotprojekten frühzeitig ein. Der Entwicklungsprozess beginnt sozusagen direkt vor Ort in der Produktionsumgebung und nicht im Elfenbeinturm. Das Feedback der freiwilligen Tester zu Komfortaspekte, Gewicht, Bedienbarkeit, Konfiguration und mentale Belästigung fließen damit schon in der Designphase und Weiterentwicklung der Prototypen ein. Zusätzlich binden wir die Gewerkschaften und Berufsgenossenschaften ein. Denn nur gemeinsam kommen wir zur besten Lösung.

Wie sehen Sie die Unterstützung der menschlichen Arbeit durch KI. Werden Entscheidungen in der Zukunft nur noch durch Algorithmen gefällt?

KI ist derzeit in der Lage, eigenständig (Live-)Daten aus der Produktion zu analysieren, Optimierungsvorschläge zu generieren, die Selbstkonfiguration von Maschinen zu unterstützen oder menschliche Entscheidungen zu unterstützen. Nur dürfen wir ihr die Entscheidungsfindung und -gewalt nicht gänzlich überlassen. Wir dürfen unsere Verantwortung nicht an Maschinen auslagern. Es gibt allerdings auch keinen Ersatz für den menschlichen Intellekt, unser Urteilsvermögen und letztlich die Innovationsfähigkeit. Das letzte Wort muss und wird daher immer der Mensch haben.

Prof. Dr.-Ing. Carmen Constantinescu studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Cluj-Napoca (Rumänien) und promovierte mit Schwerpunkt „Industrial Engineering“, gefolgt von einem MBA-Studium in Management an derselben Universität. Seit 2001 ist sie an den Fraunhofer-Instituten für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) und für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) in Stuttgart tätig. Derzeit leitet sie den Forschungsbereich „Digitale Fertigung 4.0“ und forscht zum Wandel von Technologien und Industrie. Schwerpunkte ihrer Arbeit sind Simulation, digitale und smarte Fabriken sowie Exoskelette. Sie berät unter anderem den Verein Deutscher Ingenieure (VDI) und die Europäische Kommission. © Frauenhofer-Insitut