Mensch-Roboter-Kollaboration (eBook)

Hans-Jürgen Buxbaum (Herausgeber)

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2020 | 1. Auflage
XVII, 322 Seiten
Springer Gabler (Verlag)
978-3-658-28307-0 (ISBN)

Infos

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.

Inhalt

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

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 5.5.2020
• Zusatzinfo: XVII, 317 S. 59 Abb.
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Themenwelt: Wirtschaft ► Betriebswirtschaft / Management ► Logistik / Produktion
• Themenwelt: Wirtschaft ► Betriebswirtschaft / Management ► Personalwesen
• Schlagworte: Assistenzsysteme in Rehabilitation, Pflege und Gesundheitswesen • Ethische Perspektiven in der MRK • Folgenabschätzung und Szenarien der MRK • Mensch-Roboter-Kollaboration in der Industrie • Neurorobotik
• ISBN-10: 3-658-28307-6 / 3658283076
• ISBN-13: 978-3-658-28307-0 / 9783658283070