Zukunft Bau KURZBERICHT Titel
Langfassung Titel: „Mensch-Roboter-Kooperation im Holzbau:
Potentiale für die Vorfertigung“
Anlass/ Ausgangslage
Der Holzbau basiert heute auf Leichtbausystemen mit einem sehr
hohen Vorfertigungsgrad. Der Automatisierungsgrad der Fertigung im
Holzbau ist jedoch im Vergleich zu anderen Industriebranchen immer
noch sehr gering. Ziel dieses Projektes ist es daher, einen
möglichen Einsatz der Mensch-Roboter-Kooperationsfertigung zu
analysieren und zu bewerten, um den Automatisierungsgrad in der
Holzbauvorfertigung zu erhöhen und flexibel zu halten.
Gegenstand des Forschungsvorhabens
Die Forschungsarbeit verfolgt einen vierstufigen
Forschungsansatz bestehend aus Analyse, Systematisierung,
Entwicklung und Evaluierung: basierend auf der Analyse des
aktuellen Stands der Technik im Holzbau und der verfügbaren
Technologien der Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) und der
Systematisierung der Ergebnisse, werden praktikable MRK-Workflows
entwickelt und diese abschließend durch eine Reihe von
Produktionssystemprototypen bewertet. Dieser Ansatz spiegelt sich
in den vier übergeordneten Arbeitspaketen (1) Prozessanalysen, (2)
Identifikation von Potenzialen, (3) Systematisierung
Anwendungsfelder und (4) Evaluierung durch Prototyping wieder.
Die Untersuchung konzentrierte sich von Anfang an speziell auf
die Suche nach Lösungen, die den Anforderungen kleiner und
mittlerer Unternehmen (KMU) gerecht werden, die die Mehrheit der
Holzbaubetriebe in Deutschland bilden. Die Industriepartner
Müllerblaustein Holzbau GmbH und KUKA Roboter GmbH haben das
Forschungsprojekt dahingehend unterstützt.
In einem ersten Arbeitspaket wurde eine gründliche Untersuchung
eines modernen Holzbauvorfertigungsprozesses und die Analyse der
gesamten Vorfertigungskette durchgeführt. Die Aufgaben der
Holzbauvorfertigung wurden kategorisiert und in ihre atomaren
Prozesse zerlegt. Parallel dazu wurde ein Überblick über die
verfügbaren MRK -Technologien und gängige Szenarien in anderen
Branchen erstellt sowie über die entsprechenden normativen
Dokumente.
Das zweite Arbeitspaket der Untersuchung konzentrierte sich auf
die Identifizierung vielversprechender Anwendungen von MRK in der
Holzbauvorfertigungskette und möglicher technologischer Lösungen.
Die Prozesse mit hohem Potenzial wurden im Hinblick auf den
Charakter der Arbeit in zwei große Kategorien eingeteilt:
schmutzige, langweilige und gefährliche Prozesse und Prozesse, die
eine signifikante Anpassung ihrer Umsetzung von Projekt zu Projekt
erfordern. Vier spezifische Unterkategorien wurden weiter
ausgewählt und detaillierter bewertet: Platzieren / Fügen,
Qualitätssicherung, wiederholende Tätigkeiten und Logistik, und
schwere und unangenehme Tätigkeiten.
Im zweiten Teil des Arbeitspakets wurde MRK von einem
übergeordneten Standpunkt aus bewertet und in zwei allgemeine
Bereiche unterteilt: kognitive Kollaboration und verhaltensbasierte
Kollaboration. Aus technologischer Sicht wurde eine
Mensch-Roboter-Kommunikation als entscheidender Aspekt einer
erfolgreichen MRK-Strategie festgelegt. Als Ergebnis der Bewertung
wurden drei übergeordnete MRK-Strategien identifiziert, die in den
nächsten Schritten untersucht wurden: "gelegentliche Koordination",
"Aufgabenübertragung" und "direkte Zusammenarbeit".
Im dritten Arbeitspaket wurden die drei zuvor genannten
MRK-Strategien weiterentwickelt und konkretisiert. Sie wurden
anhand ihres Innovationspotenzials und ihres Automatisierungsgrades
bewertet und jeweils mit einer Umsetzungsstrategie versehen.
Parallel dazu konzentrierte sich das vierte Arbeitspaket auf die
Entwicklung und Erprobung der in Arbeitspaket zwei und drei
beschriebenen MRK-Strategien. Insgesamt wurden zwei größere
Experimente durchgeführt. Das erste Experiment konzentrierte sich
auf die "direkte Zusammenarbeit" und zielte auf die Entwicklung
einer universellen Kollaborativen Roboter "Workbench", die auch von
Anwendern mit minimalen Programmierkenntnissen erfolgreich
eingesetzt werden kann. Ein besonderer Schwerpunkt wurde auf die
Mensch-Roboter-Kommunikation in Form einer
Augmented Reality (AR)-Schnittstelle gelegt. Das Experiment
wurde in Zusammenarbeit mit der KUKA AG realisiert und das Ergebnis
als eines der Finalistenprojekte des KUKA Innovationspreises auf
der Hannover Messe 2018 vorgestellt.
Das zweite Experiment wurde im Rahmen eines größeren
Forschungsprojektes einer Weitspann-Holzplattenschale in
Zusammenarbeit mit der Müllerblaustein Holzbau GmbH durchgeführt.
Im Mittelpunkt des Experiments stand die Verbesserung der
Herstellung der Holzplatten mit den Methoden der gelegentlichen
Koordination. Ziel des Experiments war es, gemeinschaftliche Räume
für eine sichere Material- und Halbzeugübergabe zwischen den für
die Logistik verantwortlichen Mitarbeitern und der
vollautomatischen Roboterzelle zu entwerfen und zu entwickeln. Die
entstandene Holzschale wurde im Rahmen der Bundesgartenschau
Heilbronn 2019 ausgestellt.
Fazit Die beiden durchgeführten Experimente zeigten die
Potenziale der MRK im Holzbau und deren mögliche Umsetzungen auf.
Die Ziele des Forschungsprojekts wurden somit erfolgreich erreicht.
Die verfügbaren Technologien sind weit genug entwickelt, um auch
Standardindustrieroboter sicher zu machen und zur einfachen
Zusammenarbeit mit Menschen in unmittelbarer Nähe zu befähigen. Es
wurde auch nachgewiesen, dass MRK den Vorfertigungsablauf im
Holzbau radikal verbessern kann. Dennoch ist weitere Forschung
erforderlich, um eine nahtlose MRK zu erreichen. Dafür ist es zum
Beispiel notwendig, das Verständnis der Maschine für menschliche
Absichten weiter zu verbessern und die Kommunikationsschnittstellen
Mensch-Roboter sorgfältig zu gestalten. Eckdaten Kurztitel:
Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) im Holzbau Forscher /
Projektleitung: Universität Stuttgart Institut für
Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung (ICD) Prof. Achim
Menges Oliver David Krieg Ondrej Kyjanek Tobias Schwinn
Gesamtkosten: 264.331,11 € Anteil Bundeszuschuss: 142.200,16 €
Projektlaufzeit: 24 Monate
