Buxbaum Mensch-Roboter-Kollaboration

1. Auflage 2020
ISBN: 978-3-658-28307-0
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 322 Seiten

Reihe: Computer Science and Engineering (German Language)

Im Kontext der Industrie 4.0 sind ein wachsender Wettbewerbsdruck, immer größere Anforderungen an Flexibilität und Qualität und immer höhere Ansprüche der Stakeholder wahrnehmbar. In der bekannten Situation des demographischen Wandels entstehen zunehmend neue Assistenzsysteme, insbesondere in der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK). Diese Systeme arbeiten nicht mehr isoliert hinter Zäunen, sondern Hand in Hand mit den Menschen. Sie sollen den Menschen bei monotonen oder kraftraubenden Arbeiten unterstützen oder entlasten. Durch die direkte Zusammenarbeit von Mensch und Maschine rücken Arbeitssicherheit und Ergonomie zunehmend in den Fokus. Klärungsbedarf gibt es bei der Gestaltung von MRK-Arbeitsplätzen und bei der Akzeptanz dieser Arbeitsplätze. Auch neue Aufgabenfelder sind im Gespräch, die sich z.B. in Pflege und Medizin erschließen lassen. Arbeitspsychologie und Human Factors bekommen in der roboterbasierten Automatisierung eine neue, wichtige Bedeutung. Zudem stellt sich die ethische Frage, ob diese neuen Roboter auf längere Sicht den Menschen entlasten oder ersetzen.Hintergrund dieser Veröffentlichung ist der Ladenburger Diskurs der Daimler und Benz Stiftung zum Thema MRK im März 2019. Dieser ist hervorragend besetzt mit einer deutlich interdisziplinären Ausrichtung, die in diesem Thema bislang einmalig ist. Die Teilnehmer sind Autoren dieses Buchs.

Hans-Jürgen Buxbaum ist Professor für Automatisierung und Robotik und Leiter der Labore für Robotik und Human Engineering an der Hochschule Niederrhein in Krefeld. Er ist promovierter Ingenieur der Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieur, war Unternehmensberater und Freelancer in der Industrieautomation, leitender Ingenieur am Institut für Roboterforschung der TU Dortmund und Forschungsgruppenleiter am Heinz-Nixdorf-Institut der Universität Paderborn.

Autoren/Hrsg.

Buxbaum, Hans-Jürgen

Inhaltsverzeichnis

1;Geleitwort;5
2;Vorwort;7
3;Inhaltsverzeichnis;9
4;Über den Herausgeber;17
5;1: Die Maschine an meiner Seite;18
5.1;1.1 Einleitung;18
5.2;1.2 Grundlagen der Mensch-Roboter-Kollaboration;19
5.3;1.3 Dimensionen der Beschreibung;20
5.3.1;1.3.1 Nähe;20
5.3.2;1.3.2 Körper;21
5.3.3;1.3.3 Interaktion und Kommunikation;22
5.3.4;1.3.4 Raum;23
5.3.5;1.3.5 Ressourcen;23
5.3.6;1.3.6 System;24
5.3.7;1.3.7 Das gemeinsame Objekt;25
5.3.8;1.3.8 Arbeit;25
5.4;1.4 Ethische Fragen;26
5.4.1;1.4.1 Verantwortung und Haftung;26
5.4.2;1.4.2 Verlust und Veränderung der Arbeit;27
5.4.3;1.4.3 Überwachung und Privatsphäre;28
5.4.4;1.4.4 Kampf um Raum und Ressourcen;28
5.4.5;1.4.5 Maschinelle Moral;29
5.5;1.5 Zusammenfassung und Ausblick;30
5.6;Literatur;30
6;2: Evolution oder Revolution? Die Mensch-Roboter-Kollaboration;32
6.1;2.1 Einleitung;33
6.2;2.2 Entwicklung der Robotik;33
6.3;2.3 MRK;37
6.4;2.4 Argumente für bzw. gegen MRK;39
6.5;2.5 Nutzendimensionen der MRK;40
6.5.1;2.5.1 Flächennutzung;40
6.5.2;2.5.2 Ergonomie;40
6.5.3;2.5.3 Flexibilität;41
6.5.4;2.5.4 Intuitivität;43
6.5.5;2.5.5 Peripherie;43
6.6;2.6 Sicherheit in der MRK;44
6.7;2.7 Schadensbegrenzung;45
6.8;2.8 Betriebsarten;46
6.9;Literatur;47
7;3: Arbeitswissenschaftliche Aspekte der Mensch-Roboter-Kollaboration;51
7.1;3.1 Einleitung;51
7.2;3.2 Verbessern technische Hilfsmittel die Sicherheit? Erfahrungen aus der Aviatik;53
7.3;3.3 Menschen im Einsatz – „Mind the Gap!“;55
7.3.1;3.3.1 Vereinfachte Informationsverarbeitung durch Schemata;56
7.3.2;3.3.2 Automatisierung der Handlungsausführung;57
7.3.3;3.3.3 Effizienz und Fehleranfälligkeit als Kehrseiten der Medaille;59
7.4;3.4 Auswirkungen der Technikgestaltung auf den Menschen;61
7.4.1;3.4.1 Mentale Nebeneffekte technischer Hilfsmittel;61
7.4.2;3.4.2 Motivationale Nebeneffekte technischer Hilfsmittel;62
7.5;3.5 Technik- und Systemgestaltung: MTO oder TOM – eine Frage der Priorität;63
7.6;3.6 Fazit;68
7.7;Literatur;70
8;4: Ethische Perspektiven der Mensch-Roboter-Kollaboration;71
8.1;4.1 Einleitung;72
8.2;4.2 Welche Rolle spielen ethische Überlegungen in der Technikentwicklung?;73
8.3;4.3 MRK in der Arbeitswelt: Von Ersetzungsszenarien zur MRK;74
8.3.1;4.3.1 Funktionale Sicherheit und eigenverantwortliches Handeln;76
8.3.2;4.3.2 Wer tut was? Selbstbestimmung vs. technische Fremdbestimmung;77
8.3.3;4.3.3 Die Zergliederung von Aufgaben in der MRK: Was bleibt für den Menschen übrig?;78
8.3.4;4.3.4 Maschinelle Tätigkeiten und menschliche Fähigkeiten;79
8.3.5;4.3.5 Flexible Allokation als Lösung?;80
8.4;4.4 Vermenschlichung in der Mensch-Roboter-Kollaboration;81
8.5;Literatur;83
9;5: Wo kann Teamwork mit Mensch und Roboter funktionieren?;85
9.1;5.1 Mensch-Roboter-Kollaboration in der Montage;86
9.2;5.2 Ermittlung von MRK-Potentialen von Arbeitsplätzen mittels Quick-Check;87
9.3;5.3 Simulationsgestützte Planung von MRK-Arbeitsplätzen mittels ema Work Designer;90
9.4;5.4 Manuelle Montageszenarien beim Anwender Karl Dungs GmbH & Co. KG;93
9.5;5.5 Die Realisierungen;94
9.5.1;5.5.1 Boll Automation GmbH und Karl Dungs GmbH & Co. KG;94
9.5.2;5.5.2 Leopold Kostal GmbH & Co. KG;99
9.5.3;5.5.3 Albrecht Jung GmbH & Co. KG;100
9.6;5.6 Akzeptanzförderung durch Beteiligung von Beschäftigten und Betriebsrat am Einführungsprozess;101
9.7;5.7 Zusammenfassung;102
9.8;5.8 Förderhinweis;103
9.9;Anhang;103
9.10;Literatur;105
10;6: Kooperation und Kollaboration mit Schwerlastrobotern – Sicherheit, Perspektive und Anwendungen;107
10.1;6.1 Kollaborative Schwerlastroboter;108
10.2;6.2 Kooperation vs. Kollaboration;110
10.2.1;6.2.1 Mensch-Roboter Kooperation;111
10.2.2;6.2.2 Mensch-Roboter Kollaboration;115
10.2.3;6.2.3 Mensch-Roboter-Kooperation/-Kollaboration;118
10.3;6.3 Zeit-Raum-Mensch-Roboter-Modelle;119
10.4;Literatur;122
11;7: Mensch-Roboter-Kollaboration – Wichtiges Zukunftsthema oder nur ein Hype?;124
11.1;7.1 Faszination Roboter;124
11.2;7.2 Fähigkeiten von Robotern;125
11.3;7.3 Die These;126
11.3.1;7.3.1 Roboter sollen stark und schnell sein und eine große Reichweite besitzen;126
11.3.2;7.3.2 Keine Schutzzäune;126
11.3.3;7.3.3 Einfache Programmierung;128
11.3.4;7.3.4 Intelligente Roboter;128
11.4;7.4 Resümee;129
11.5;Literatur;130
12;8: Neural-gesteuerte Robotik für Assistenz und Rehabilitation im Alltag;131
12.1;8.1 Gehirn-Computer-Schnittstellen zur aktiven Kontrolle robotischer Systeme bei Lähmungen;132
12.2;8.2 Rehabilitative Aspekte neural-gesteuerter Robotik;134
12.3;8.3 Tragbare und kabellose Sensoren und Biosignal-Verstärker;136
12.4;8.4 Echtzeit-Signalverarbeitung und Interpretation;138
12.5;8.5 Spezielle Anforderungen an die Aktorik/Biomechanik im Kontext der Mobilisierung gelähmter Gliedmaßen;138
12.6;8.6 Kontextsensitivität als Voraussetzung für die Integration in den Alltag;140
12.7;8.7 Rechtlich-regulatorische Herausforderungen;141
12.8;8.8 Ausblick in die Zukunft: Neural-gesteuerte Exoskelette in der medizinischen Versorgung 2030;142
12.9;Literatur;143
13;9: Mensch-Roboter-Kollaboration in der Medizin;146
13.1;9.1 Motivation;146
13.2;9.2 Roboter in der Therapie;147
13.3;9.3 Beispiele für Medizinprodukte mit Robotern;149
13.4;9.4 Zusammenfassung;155
13.5;Literatur;155
14;10: Mensch-Roboter-Kollaboration – Anforderungen an eine humane Arbeitsgestaltung;157
14.1;10.1 Einleitung;158
14.2;10.2 Große Hoffnungen, viele Fragen, wenige Antworten;158
14.3;10.3 Kriterien einer Folgenabschätzung;160
14.3.1;10.3.1 Akzeptanz;162
14.3.2;10.3.2 Gelingende Interaktion von Mensch und Roboter als Team;163
14.3.3;10.3.3 Ergonomische Gestaltung;164
14.3.4;10.3.4 Psychische Arbeitssystemgestaltung;166
14.4;10.4 Verantwortliche Gestaltung von MRK-Systemen;168
14.4.1;10.4.1 Relationale Gestaltung von MRK-Systemen;170
14.4.2;10.4.2 Reflexive Gestaltung von MRK-Systemen;171
14.4.3;10.4.3 Prozedurale Gestaltung von MRK-Systemen;171
14.5;10.5 Zusammenfassung und Ausblick;172
14.6;Literatur;173
15;11: Teammitglied oder Werkzeug – Der Einfluss anthropomorpher Gestaltung in der Mensch-Roboter-Interaktion;175
15.1;11.1 Wie verändern Roboter unsere Arbeits- und Lebenswelt?;176
15.2;11.2 Was zeichnet die Zusammenarbeit von Menschen und Robotern aus?;176
15.3;11.3 Wie gelingt eine optimale Zusammenarbeit?;179
15.4;11.4 Wie erreicht man eine symbiotische Robotergestaltung zwischen Teammitglied und Werkzeug?;183
15.5;Literatur;185
16;12: Erwartungskonformität von Roboterbewegungen und Situationsbewusstsein in der Mensch-Roboter-Kollaboration;188
16.1;12.1 Einleitung;188
16.2;12.2 Ergonomie;190
16.3;12.3 Bahnplanung;191
16.4;12.4 Wahrnehmung;193
16.4.1;12.4.1 Bewegungswahrnehmung;193
16.4.2;12.4.2 Visuelle Aufmerksamkeit;193
16.5;12.5 Situationsbewusstsein;194
16.6;12.6 Psychophysikalische Methoden zur Erfassung kognitiver Prozesse;195
16.6.1;12.6.1 Elektroenzephalogramm (EEG);195
16.6.2;12.6.2 Elektrokardiogramm (EKG) HRV;196
16.6.3;12.6.3 Blutdruck;196
16.6.4;12.6.4 Hautleitfähigkeit;197
16.6.5;12.6.5 Eyetracking;197
16.7;12.7 Full-Scope-Simulation in der MRK;198
16.8;12.8 Experimentaldesign;199
16.9;Literatur;202
17;13: Antizipierende interaktiv lernende autonome Agenten;204
17.1;13.1 Einleitung;205
17.2;13.2 Vision eines natürlichen Zusammenwirkens von Mensch und Roboter;206
17.2.1;13.2.1 Was macht eine gute Mensch-Roboter-Kollaboration aus?;207
17.2.2;13.2.2 Was macht eine gute Mensch-Roboter-Interaktion der Zukunft aus?;208
17.2.3;13.2.3 Beispiel einer antizipierenden Mensch-Roboter-Kollaboration;210
17.3;13.3 Kognitive Mechanismen zur Antizipation Anderer;211
17.3.1;13.3.1 Mentale Modelle;211
17.3.2;13.3.2 Person Model Theory;212
17.4;13.4 Kognitiver Modellierungsansatz von Situationsmodell, Personenmodell und Selfmodell;213
17.4.1;13.4.1 Voraussetzungen der Modellierungsmethode;213
17.4.2;13.4.2 Beispiele für antizipierende Assistenzsysteme;214
17.5;13.5 Flexible Task Allocation;214
17.6;13.6 Interactive Task Learning;215
17.7;13.7 Diskussion;216
17.8;Literatur;217
18;14: Echtzeit-IoT im 5G-Umfeld;219
18.1;14.1 Einleitung;220
18.2;14.2 Problemstellung;221
18.3;14.3 Middleware;222
18.4;14.4 Software-Entwicklungsprozess für echtzeitfähiges IoT an den Beispielen verteilter Systeme für Automotive und MRK;225
18.5;14.5 Zusammenfassung und Ausblick;228
18.6;Literatur;229
19;15: Pflegeroboter und Medizinische Informationssysteme – Digitalisierungsansätze des Gesundheitswesens;232
19.1;15.1 Digitalisierung im Gesundheitswesen;232
19.2;15.2 Medizinische Informationssysteme;235
19.2.1;15.2.1 Krankenhausinformationssysteme;236
19.2.2;15.2.2 Betrachtung von Human Factors im Zusammenhang mit Medizinischen Informationssystemen (Fokus: KIS);238
19.3;15.3 Medizinische Informationssysteme, Medizintechnik und Pflegeroboter;240
19.3.1;15.3.1 Anwendung von Standards (Schnittstellen und Datenstrukturen);241
19.3.1.1;15.3.1.1 Schnittstellenstandards;242
19.3.1.2;15.3.1.2 Datenstruktur;242
19.3.2;15.3.2 Integration von Medizintechnik (Medizingeräten) und Medizinischen Informationssystemen;243
19.3.3;15.3.3 Der Pflegeroboter – ein weiteres Medizingerät?;244
19.4;Literatur;246
20;16: Ein soziotechnisches Systemmodell der Servicerobotik im Pflegekontext;249
20.1;16.1 Einleitung;250
20.2;16.2 Eine soziotechnische Sichtweise auf den Einsatz von Servicerobotik in der Pflege;251
20.3;16.3 ARA-Sys: Ein soziotechnisches Modell des Arbeitssystems;252
20.3.1;16.3.1 Technisches Element – Der Serviceroboter;253
20.3.2;16.3.2 Patientinnen und Patienten;255
20.3.3;16.3.3 Geschultes Bedienpersonal;255
20.3.4;16.3.4 Wartungs- und Instandhaltungspersonal;256
20.3.5;16.3.5 Passantinnen und Passanten;257
20.4;16.4 Ein Beispielmodell – Einsatz fahrerloser Transportsysteme im Krankenhaus;258
20.5;16.5 Schlüsse aus dem Modell;260
20.6;Literatur;262
21;17: Erfahrungen aus dem Einsatz von Assistenzrobotern für Menschen im Alter;264
21.1;17.1 F&P Robotics;265
21.2;17.2 Assistenzroboter Lio;265
21.2.1;17.2.1 Use Cases in laufenden Projekten;267
21.2.2;17.2.2 Nutzen;268
21.2.3;17.2.3 Ethischer Aspekt;268
21.3;17.3 Erfahrungen aus beobachteten Interaktionen;269
21.3.1;17.3.1 Einleitung;269
21.3.2;17.3.2 Methode;271
21.3.2.1;17.3.2.1 Testdesign;271
21.3.2.2;17.3.2.2 Assistenzroboter Lio;271
21.3.2.3;17.3.2.3 Probanden;271
21.3.2.4;17.3.2.4 Messinstrumente;272
21.3.2.5;17.3.2.5 Studienablauf;272
21.3.3;17.3.3 Ergebnisse und Diskussion;273
21.3.3.1;17.3.3.1 Usability-Befunde;273
21.3.4;17.3.4 Limitationen und zukünftige Forschungsfragen;278
21.3.5;17.3.5 Fazit;279
21.4;17.4 Sicherheit und Normen bei Assistenzrobotern;280
21.4.1;17.4.1 Normen und Richtlinien;280
21.4.2;17.4.2 Datenschutz;281
21.5;17.5 Schlusswort;284
21.6;Literatur;284
22;18: Mensch-Maschine-Zusammenarbeit am Beispiel Kaltwalzer;287
22.1;18.1 Aufgabenkomplexität nimmt zu;287
22.2;18.2 Effizienzsteigerung durch Spezialisierung;289
22.3;18.3 Lokale Lösungen, auf Spezialisierung optimiert;290
22.4;18.4 Anbieten spezialisierter Berufe erfordert spezialisierte Mitarbeiter;290
22.5;18.5 Die Vernetzung der Systeme lässt spezialisierte Silos zusammenrücken;291
22.6;18.6 Der direkte Hebel persönlicher Handlungen auf das Gesamtsystem wird nicht komplett wahrgenommen;292
22.7;18.7 Die Beachtung der Kausalitätsketten ist wichtig für das erwartungskonforme Systemverhalten;292
22.8;18.8 Transparenz über die komplexen Ketten führt zu bedarfsgerechten Assistenzsystemen, um Vertrauen in Technik zu unterstützen;293
22.9;18.9 Adaption auf MRK-Lösungen;295
22.9.1;18.9.1 Mögliche Anwendungsgebiete von MRK-Lösungen bei BILSTEIN;295
22.9.2;18.9.2 Übertragbare Erkenntnisse für MRK-Einführungen bei BILSTEIN;296
22.10;Literatur;296
23;19: Ladenburger Thesen zur zukünftigen Gestaltung der Mensch-Roboter-Kollaboration;298
23.1;19.1 Einleitung;299
23.2;19.2 Ergonomische Perspektive;300
23.3;19.3 Technisch-wirtschaftliche Perspektive;301
23.4;19.4 Psychologische Perspektive;302
23.5;19.5 Arbeitswissenschaftliche Perspektive;304
23.6;19.6 Ethische Perspektive;310
23.7;19.7 Ladenburger Thesen zur MRK;313
23.7.1;19.7.1 These 1: Sicherheitsanforderungen anwendungsgerecht festlegen;314
23.7.2;19.7.2 These 2: Sicherheitstechnik flexibilisieren;314
23.7.3;19.7.3 These 3: Grenzen baulicher Gestaltung hinterfragen;315
23.7.4;19.7.4 These 4: Konfiguration und Programmierung vereinfachen;315
23.7.5;19.7.5 These 5: Wirtschaftlichkeitsberechung anpassen;316
23.7.6;19.7.6 These 6: MRK als soziotechnisches System begreifen;316
23.7.7;19.7.7 These 7: Ethische Fragen beantworten;317
23.7.8;19.7.8 These 8: Aufgabenverteilung flexibilisieren;317
23.7.9;19.7.9 These 9: Deskilling entgegenwirken;318
23.7.10;19.7.10 These 10: Erwartungskonformität sicherstellen;319
23.7.11;19.7.11 These 11: Höhere Funktionalität über KI realisieren;319
23.7.12;19.7.12 These 12: Antizipation der Automatisierungstechnik erhöhen;319
23.7.13;19.7.13 These 13: MRK als Schlüsseltechnologie begreifen;320
23.8;19.8 Fazit;321
23.9;Literatur;321