Zusammenarbeit von Mensch, Exoskelett und Cobot Wie der Roboter zum Kollegen wird

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Technische Universität München

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Immer mehr Roboter unterstützen die menschlichen Arbeitskräfte in Fabriken. Doch das Verhältnis ist noch lange nicht reibungslos. Deshalb haben Forscher aus dem Team von Prof. Lorenzo Masia an der Technischen Universität München (TUM) eine Lösung entwickelt, in der ein mit Exoskelett unterstützter Mensch und ein Roboterarm eng und sicher zusammenarbeiten können. Das entlastet Mitarbeiter und verbessert die Prozesse.

Wenn Roboter und Menschen in einer Fabrik zusammenarbeiten, passiert das in der Regel klar getrennt – auch aus Sicherheitsgründen. Der Roboter übernimmt eine Aufgabe, erledigt sie und übergibt an das Personal, das den nächsten Arbeitsschritt ausführt. «Das kann etwa bei der Qualitätsprüfung von Bauteilen anstrengend werden, die immer wieder hochgehoben und abgesetzt werden müssen», sagt Forscher Federico Masiero aus dem Lehrstuhl für Intelligente Bio-robotische Systeme der TUM School of Computation, Information and Technology. Der am von Prof. Lorenzo Masia geleiteten Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (TUM Mirmi) entwickelte so genannte Wearacob (Kurzform von Wearable und Collaborative) soll Menschen mithilfe eines Exoskeletts für den Oberkörper das Heben und Tragen erleichtern und gleichzeitig die Unterstützung durch einen einarmigen, kollaborativen Roboter ermöglichen – den sogenannten Cobot.

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Exoskelett: Bis zu zwei Drittel weniger Kraft aus den Oberarmen ist nötig

Das Exoskelett lässt sich wie ein Rucksack aufsetzen, an dessen Hinterseite ein Elektromotor montiert ist. Rechts wie links führen dünne, aber reissfeste Drähte vom Rücken über die Schulter nach vorne, bis zu einer Art Ellenbogenschoner, an denen sie befestigt sind. Zieht der Motor an den Drähten, übernehmen sie einen Teil der Arbeit, die normalerweise der Biceps-Muskel im Oberarm übernimmt.

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Der mit dem Exoskelett ausgestatteten Person steht dabei ein einarmiger Roboter zur Seite. Wenn er einen Gegenstand aufnimmt und übergibt, kann er ihn gleichzeitig wiegen und diese Information per Funk an das Exoskelett übermitteln. Die Drähte, die in der Grundeinstellung genau das Eigengewicht der menschlichen Arme kompensieren, ziehen dann etwas kräftiger, je nachdem wie schwer das Objekt ist.

Bis zu 65 Prozent weniger Aufwand für die Muskulatur ist in dieser Konstellation möglich, zeigen aktuelle Untersuchungen. «Um auch mit asymmetrischen Bauteilen zurechtzukommen, bestimmt der Roboter zudem deren Schwerpunkt», erläutert Forscher Masiero. «Vorteil: Es ist möglich, den einen Arm mehr zu unterstützen als den anderen, die Belastungen also auszubalancieren.»

Auch solo funktioniert das Schulter-Exoskelett gut, nur etwas anders: Die in der Forschung gängigste Methode ist, die Muskelaktivität im Oberarm zu messen und daraus zu schliessen, wie viel zusätzliche Kraft im Augenblick nötig ist. Mit einer Abweichung von 0,5 bis einem Kilogramm ist diese Methode recht präzise. Allerdings müssen die Sensoren vor jedem Einsatz des Exoskeletts erst am Oberarm angebracht werden, was für den Einsatz in einer Fabrik eher unpraktisch ist.

Cobot: Programmieren durch Vormachen

Der einarmige Roboter ist ein typischer Cobot mit sieben Gelenken. Das macht ihn beweglich, flexibel und sicher genug, um mit ihm zu Forschungszwecken arbeiten zu können. Denn er verlangsamt automatisch seine Geschwindigkeit, je näher er Menschen kommt. Die Kombination des Exoskeletts mit dem Roboterarm bietet besonders für die Industrie Vorteile: «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», erläutert Prof. Lorenzo Masia. «Wir können ihn programmieren, indem wir den Roboterarm führen. 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.»

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Video: Seit wenigen Wochen hat das Forschungsteam nun einen neuen Cobot (von Neura Robotics) im Labor, der in naher Zukunft im TUM Robogym weitere Fähigkeiten lernen soll. Er kann nicht nur fünfmal schwerere Bauteile (15 kg) heben als bisher. Mit Mikrofon, integrierter 3D-Kamera und weiteren zwei Kameras ausgestattet, können die Forschenden dem neuesten Cobot direkt Anweisungen geben und er «sieht» sein Gegenüber in 3D – als menschlicher Avatar. Ein besonderer Dank geht an die Projektpartner Akina, ein Schweizer Start-up, das mithilfe von Computer-Vision-Algorithmen und Webcams die Bewegungen der Nutzerinnen und Nutzer verfolgt, sowie Neura Robotics für die Bereitstellung modernster Robotiktechnologie.

Das Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (TUM Mirmi) ist ein auf Robotik und KI fokussiertes integratives Forschungsinstitut der Technischen Universität München (TUM). Das Mirmi verfügt über führende Expertise auf zentralen Gebieten der Robotik, zum Beispiel Perzeption und Data Science. Knapp 80 TUM-Lehrstühle sind im TUM Mirmi vernetzt, um innovative robotische und KI-unterstützte Lösungen für Umwelt, Gesundheit, Mobilität, Arbeit und nicht zuletzt Sicherheit und Verteidigung zu entwickeln. Prof. Lorenzo Masia leitet das TUM Mirmi.

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