Systemergonomische Gestaltung

Grafische Darstellung der Versuchsanordung

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Virtuelle Versuchsszene zur Untersuchung des Einflusses von Distanz und Geschwindigkeit des Roboters
Bild: IFA

Proband vor virtueller Arbeitssituation

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Versuchsszene mit Proband
Bild: IFA

Internationale Normen und auch die BG/BGIA-Empfehlungen für kollaborierende Industrieroboter nennen allgemeine ergonomische Schutzziele für Roboterarbeitsplätze, beispielsweise: "Die Wahrnehmung, die Aufmerksamkeit und das Denken der Person darf durch die Arbeitsumgebung und den kollaborierenden Roboter nicht eingeschränkt oder gestört werden." Bislang gibt es jedoch keine genaueren Spezifikationen dafür, mit welchen Maßnahmen dieses und ähnliche Ziele erreicht werden können. In einem Verbundprojekt (ESiMiP, gefördert durch die Bayerische Forschungsstiftung) wurde daher untersucht, welche Gestaltungsaspekte der Mensch-Roboter-Kollaboration diese Schutzziele fördern.

Im IFA wurden anhand bestehender Fachliteratur zunächst grundlegende Gestaltungsvarianten der Mensch-Roboter-Kollaboration identifiziert, die das Leistungsverhalten und Wohlbefinden der mit dem Roboter zusammenarbeitenden Person beeinflussen können. Diese umfassen unter anderem:

  • Abstand zwischen Mensch und Roboter
  • Robotergeschwindigkeit
  • Bewegungsbahn des Roboters
  • Annäherungswinkel des Tool Center Point (Werkzeugposition des Roboters)
  • Roboterbeschleunigung
  • Robotergröße
  • Positionierung des Roboters relativ zur Person
  • Anmutung des Roboters
  • Informationsaustausch zwischen Person und Roboter.

In experimentellen Simulationsstudien in Virtueller Realität wurde anschließend mit Versuchspersonen untersucht, wie sich ausgewählte Gestaltungsvarianten auf Prozesse der menschlichen Informationsverarbeitung auswirken und somit auch menschliches Verhalten und Leistung beeinflussen.

Exemplarischer Versuchsaufbau

Im SUTAVE-Labor des IFA wurde ein industrielles Arbeitsszenario mit einem kollaborierenden Roboter simuliert. Versuchspersonen bearbeiteten zusammen mit einem virtuellen Roboter Aufgaben, welche die kognitiven Prozesse industrieller Fertigungs- und Qualitätskontrollaufgaben nachbildeten. Hierbei wurden die die folgenden experimentellen Faktoren variiert:

  • Robotergeschwindigkeit (25 cm/s; 75 cm/s; 150 cm/s)
  • Distanz zur Arbeitsperson (30 cm; 140 cm)
  • Bewegungsbahn (vorhersehbar; unvorhersehbar).

Der Einfluss dieser drei Gestaltungsvarianten auf den Menschen wurde anhand von Leistungs- und Empfindensmaßen sowie physiologischen Maßen erhoben und ausgewertet.

Ergebnisse und praktischer Nutzen

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass eine geringere Distanz zum Roboter, höhere Robotergeschwindigkeiten und unvorhersehbare Bewegungsbahnen ungünstige Auswirkungen auf die Beanspruchung, Leistung und das Wohlbefinden der Testpersonen hatten.

Für die Sicherheit und Gesundheitsförderlichkeit von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern sind diese Ergebnisse aus unterschiedlichen Gründen relevant: Mit erhöhter Beanspruchung steigt die Wahrscheinlichkeit für Fehlleistungen, aus denen Unfälle resultieren können; weiterhin kann sich erhöhte Beanspruchung langfristig gesundheitsschädlich auswirken; geringes Wohlbefinden kann zu Verlust der Nutzerakzeptanz führen und damit auch die Bereitschaft verringern, Sicherheitsvorschriften zu befolgen.

Bei Auslegung und Betrieb kollaborierender Robotersysteme können empirische Ergebnisse wie die hier vorgestellten als Ergänzung für Empfehlungen und internationale Normen dienen, um eine sichere und gesundheitsförderliche Gestaltung zu erreichen.

Zum Download

Koppenborg, M.; Naber, B.: Wie sollen Arbeitsplätze mit kollaborierenden Robotern gestaltet werden? Aus der Arbeit des IFA Nr. 0348 (PDF, 214 KB)

Koppenborg, M.; Lungfiel, A.; Naber, B.; Nickel, P.: Auswirkung von Autonomie und Geschwindigkeit in der virtuellen Mensch-Roboter-Kollaboration (PDF, 1,9 MB). Chancen durch Arbeits-, Produkt- und Systemgestaltung - Zukunftsfähigkeit für Produktions- und Dienstleistungsunternehmen. 59. Kongress der Gesellschaft für Arbeitswissenschaft, 27. Februar bis 1. März 2013, Krefeld - Vortrag. Berichtsband und CD-ROM, S. 417-420. Hrsg.: Gesellschaft für Arbeitswissenschaft, GfA-Press, Dortmund 2013

Ansprechpartner

Dr. Peter Nickel

Fachbereich 5 Unfallverhütung - Produktsicherheit

Tel: 02241 231-2832
Fax: 02241 231-2234