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==Entwicklung von Assistenzsystemen für manuelle Industrieprozesse==
https://ceur-ws.org/Vol-1443/paper16.pdf
Sabine Rathmayer, Hans Pongratz (Hrsg.): Proceedings of DeLFI Workshops 2015
co-located with 13th e-Learning Conference of the German Computer Society (DeLFI 2015)
München, Germany, September 1, 2015 56
Entwicklung von Assistenzsystemen für manuelle
Industrieprozesse
Andreas Bächler1, Liane Bächler2, Sven Autenrieth1, Peter Kurtz3, Thomas Heidenreich2,
Thomas Hörz1 und Georg Krüll1
Abstract: In der nachfolgenden Arbeit werden zwei neuentwickelte Assistenzsysteme für manuel-
le Industrieprozesse vorgestellt. In einem nutzerzentrierten und partizipativ angelegten Entwick-
lungsprozess werden die Anforderungen von leistungsgeminderten und leistungsgewandelten
Menschen mit denen der Industrieunternehmen bzw. der Technik verbunden. In diesem mehrstufi-
gen und interdisziplinären Prozess werden die Assistenzsysteme konzipiert, entwickelt, prototy-
pisch umgesetzt und anschließend mit den zukünftigen Nutzern in praktischen Studien evaluiert.
Zudem werden pädagogisch-psychologische Aspekte für die Nutzung prozedural-interaktiver
Assistenzsysteme betrachtet. Die Ziele für den Einsatz solcher Systeme sind die Verminderung der
Komplexität und des Aufwands für das Einlernen von Mitarbeitern, der Erhalt und die Steigerung
der Arbeitsfähigkeit, Motivation und Gesundheit sowie die Reduzierung von Produktionsfehlern
und –zeiten. Auch die Inklusion und (Wieder-) Eingliederung von leistungsgewandelten und leis-
tungsgeminderten Menschen ins Arbeitsleben sind dabei von Bedeutung und finden Berücksichti-
gung.
Keywords: Assistenzsysteme, leistungsgeminderte Mitarbeiter, demografischer Wandel, Aug-
mented Reality, manuelle Montage, manuelle Kommissionierung.
1 Motivation
Die Globalisierung und der demografische Wandel in Europa führen zu Veränderungen
innerhalb der industriellen Produktion und der dazugehörigen Logistik in Deutschland.
Zusätzlich entwickelt sich die Produktion immer mehr von der Massenfertigung mit
langen Produktlebensdauern hin zu einer Fertigung von Einzel- und Kleinserien mit
kundenindividuellen Produkten und kurzen Lebenszeiten. Die kleinen Losgrößen führen
wiederum zu einer stark steigenden Variantenvielfalt.
Diese Veränderungen und die steigende Komplexität der Produktionsprozesse erfordern
eine hohe Flexibilität mit kurzen Montage-, Kommissionier-, Rüst- und Einlernzeiten,
1
Hochschule Esslingen, Fakultät Maschinenbau, Kanalstrasse 33, 73728 Esslingen
(andreas.baechler@hs-esslingen.de, sven.autenrieth@hs-esslingen.de, georg.kruell@hs-esslingen.de,
thomas.hoerz@hs-esslingen.de)
2
Hochschule Esslingen, Fakultät Soziale Arbeit, Gesundheit und Pflege, Flandernstraße 101, 73732 Esslingen
(liane.baechler@hs-esslingen.de, thomas.heidenreich@hs-esslingen.de)
3
Technische Universität Ilmenau, Fakultät Maschinenbau, Max-Planck-Ring 12, 98693 Ilmenau
(peter.kurtz@tu-ilmenau.de)
Entwicklung von Assistenzsystemen für manuelle Industrieprozesse 57
aber auch eine hohe Qualitätssicherheit und niedrige Herstellkosten, um auf dem globa-
len Markt wettbewerbsfähig bleiben zu können.
Aufgrund dieser Herausforderungen und der Tatsache, dass die Anzahl der repetitiven
Tätigkeiten abnimmt, können automatisierte Lösungen oftmals nicht mehr wirtschaftlich
sinnvoll eingesetzt werden. Des Weiteren sind automatisierte Prozesse nach wie vor
meist sehr unflexibel und ihre Anwendung mit hohen Betriebs- und Investitionskosten
verbunden und deren Wartung bzw. Bedienung erfordert einen hohen Qualifizierungs-
grad.
Der Mensch hingegen bietet mit seinen kognitiven Fähigkeiten, seiner komplexen
Wahrnehmung und seinem Greif- und Tastvermögen geeignete Voraussetzungen, um
flexibel, schnell und kostengünstig auf sich verändernde Markt- und Produktionsbedin-
gungen zu reagieren.
Häufig auftretende Änderungen der manuellen Arbeitsabläufe führen zum einen zu ei-
nem interessanten und abwechslungsreichen Arbeitsplatz, zum anderen steigen dadurch
aber auch die Anforderungen bezüglich Konzentration, Ausdauer und Fehleranfälligkeit,
je länger die Mitarbeiter mit den Tätigkeiten befasst sind [RZ14].
Die kurzen Produktintervalle und die hohe Varianz der Produkte erfordern zur Sicher-
stellung einer gleichbleibenden hohen Qualität bei manuellen Montage-und Kommissio-
niertätigkeiten eine ebenfalls hohe Qualifikation der Mitarbeiter.
Neben den genannten industrieseitigen Entwicklungen zeigen aktuelle Zahlen, dass sich
der Altersdurchschnitt der Erwerbstätigen, und damit der Anteil der Arbeitnehmer, die
einem Leistungswandel unterliegen, in Deutschland stark erhöht. Das Statistische Bun-
desamt prognostiziert einen Rückgang des Bevölkerungsstandes in Deutschland von
2000 bis 2050 um 9 %. Dabei sinkt der Anteil der für die Produktion wichtigen Gruppe
der 20- bis 60-jährigen von 45,5 auf 35,4 Mio.. Die Anzahl der über 60-jährigen steigt
hingegen von 19,4 auf 27,5 Mio. Menschen an [SB09]. Diese demografische Verände-
rung mit einer stetig alternden Gesellschaft und den damit zusammenhängenden Leis-
tungsveränderungen der Mitarbeiter stellen eine zusätzliche Herausforderung für indust-
rielle Betriebe dar. Ergebnisse einer Studie mit 130 Industrieunternehmen zeigen, dass
der Anteil an leistungsgewandelten Mitarbeitern in deutschen Unternehmen bereits heute
einen markanten Wert von bis zu 20 % der Gesamtbelegschaft einnimmt [HKK13].
Unter leistungsgewandelten Mitarbeitern sind ehemals vollleistende Beschäftigte mit
Einsatzeinschränkungen zu verstehen, welche für einen gewissen Zeitraum oder dauer-
haft nicht mehr in der Lage sind, ihre bisherigen Arbeitstätigkeiten mit den entsprechen-
den Anforderungen und Belastungen auszuführen. Hierbei geht es besonders um Mitar-
beiter mit erworbenen Behinderungen als Folge einer Krankheit, eines Unfalls oder von
Alterserscheinungen. An einem angepassten Arbeitsplatz können diese Mitarbeiter je-
doch ihre volle Leistung erbringen [Ad04], [Ja01].
Zusätzlich wird laut der „Engpassanalyse 2013“ des Bundesministeriums für Wirtschaft
58 Andreas Bächler et al.
und Technologie ein Fachkräftemangel in den industriellen Berufsfeldern festgestellt.
Der Mangel an Nachwuchs- und Fachkräften hat zur Folge, dass Unternehmen immer
häufiger nicht in der Lage sind in ihren Tätigkeitsfeldern den Wunschkandidaten zu
finden. Deshalb ist es zukünftig nicht nur aus sozialen, sondern auch aus wirtschaftlichen
Aspekten wichtig, Mitarbeiter mit fortgeschrittenem Alter (ab 50 Jahren) und leistungs-
geminderte Mitarbeiter aus Werkstätten für Behinderte Menschen (WfBM) zu beschäfti-
gen [BAS14]. Im vorliegenden Artikel werden Personen mit Beeinträchtigung der funk-
tionalen Gesundheit als „leistungsgeminderte Mitarbeiter“ bezeichnet. Dieser Begriff
bezieht sich auf eine Einschränkung der Leistungsfähigkeit, womit das maximale Leis-
tungsniveau einer Person bzgl. einer Aufgabe oder Handlung unter Test-, Standard oder
hypothetischen Bedingungen gemeint ist [Sc07]. Die steigenden Anforderungen an
WfBM führen dazu, dass für diese Personengruppe neue Wege der Beschäftigung und
dadurch auch der Unterstützung gefunden werden müssen. Auch von Seiten der Industrie
steigen die Bemühungen für eine inklusive Gestaltung des Arbeitsmarktes, so wie dies
gesetzlich in der UN-Behindertenrechtskonvention (Art. 27) für Menschen mit Beein-
trächtigung vorgesehen ist [BAS11].
2 Stand der Forschung
Um in Zukunft manuelle Tätigkeiten im Bereich der Kommissionierung und Montage
zuverlässig und wettbewerbsfähig durchführen zu können, sind Innovationen und Ver-
änderungen zur Unterstützung der Arbeitstätigkeiten erforderlich. Besonders im Bereich
der technischen Unterstützung durch Assistenzsysteme für leistungsgeminderte und
leistungsgewandelte, aber auch für Menschen ohne Beeinträchtigung wird viel geforscht
und entwickelt. Im Gebiet der Assistenztechnologien für leistungsgeminderte Menschen
mit kognitiven Beeinträchtigungen wird viel durch Sauer et. al. [SPH10] geforscht. Aber
auch für normal leistungsfähige Menschen wird durch Schwerdtfeger et al. [SRG11]
nach Unterstützungssystemen gesucht. Als Teil der Mixed Reality (Systeme, die die
reelle Welt mit einer virtuellen Realität vermischen) ist die erweiterte Realität (Aug-
mented Reality) eine wachsende Technologie, die ihren Einsatz und ihre Anwendung
nicht nur im medizinischen Kontext während Operationen oder als Trainingswerkzeug
findet [Az97]. Augmented Reality wird auch im Bereich der manuellen Kommissionie-
rung zur Unterstützung des Kommissionierers mit den erforderlichen Informationen
mittels eines head-mounted displays eingesetzt [SRG11]. Verschiedene Forschungsakti-
vitäten von Günthner und Rammelmeier [GR12] zeigen ebenfalls den Einfluss von
Augmented Reality mittels einer Datenbrille zur Fehlererkennung und -reduzierung.
3 Umsetzung
Um manuelle Kommissionier- und Montagetätigkeiten auch zukünftig verlässlich mit
Menschen durchführen zu können, müssen neue Unterstützungsmöglichkeiten entwickelt
Entwicklung von Assistenzsystemen für manuelle Industrieprozesse 59
werden.
In diesem Zusammenhang stellen assistierende Systeme einen erfolgs- und zukunfts-
trächtigen Ansatz zur Anleitung, Unterstützung und Kontrolle von manuellen Indust-
rieprozessen dar.
Im Folgenden werden Forschungstätigkeiten zur technischen Unterstützung mit Assis-
tenzsystemen von Montage- und Kommissionier-
prozessen mit leistungsgeminderten und -
gewandelten Mitarbeitern, aber auch mit Mitar-
beitern ohne Einschränkungen vorgestellt. Damit
soll den geschilderten Entwicklungen, deren
Folgen sowie den neuen Anforderungen erfolg-
reich begegnet werden. Es wird ein Assistenzsys-
tem für Montage- und eines für Kommissionier-
prozesse entwickelt. Das Montageassistenzsystem
ist dabei folgendermaßen aufgebaut (siehe Abbil-
dung 1 und Abbildung 2):
Nach der personifizierten Anmeldung durch einen
Werker wird der Montagemodus gestartet. Dort
werden den Anwendern individuelle Anleitungen
geboten. Hierdurch können Mitarbeiter mit unter-
schiedlichen Leistungsniveaus, bisher noch nicht
bekannte Montagetätigkeiten ausführen. Eine
Variabilität der Anleitungsstufen wird durch eine
adaptive Führung gewährleistet, was in diesem
Abbildung 1: Einzelarbeitsplatz Zusammenhang eine automatische Anpassung der
mit Assistenzsystem zur Montage
von Schraubzwingen
Anleitung an die Bedürfnisse des jeweiligen Nut-
zers bedeutet. Als Einstufung für die jeweilige
Anleitungsstufe werden die hinterlegten personenbezogenen Daten, die bisher im Pro-
zess verursachten Fehler und die bisher benötigte Zeit für den Montageprozess herange-
zogen. Ein über dem Montagearbeitsplatz angebrachter Projektor projiziert die notwen-
digen Entnahme-, Prozess- und Verbauinformationen in-situ, d.h. direkt in den
Arbeitsbereich. In einem ersten Schritt wird der Greifbehälter, aus welchem eines oder
mehrere Bauteile zu entnehmen sind, mit einem grünhinterlegten und blinkenden Licht-
balken sowie der Entnahmestückzahl angeleuchtet. Nach der Entnahme des korrekten
Bauteils wird die Verbauposition durch die grafische Abbildung des Bauteils auf der
Montagevorrichtung dargestellt. Nach korrekter Positionierung und Montage des Bau-
teils beginnt das System mit der Entnahmeanweisung des nachfolgenden Bauteils.
Schritt für Schritt erhalten die Mitarbeiter genaue Anweisungen welches Bauteil Sie
entnehmen und wie bzw. wo sie dieses positionieren müssen. Das System erkennt, mit-
hilfe eines RGB- und Infrarot-Tiefensensors Fehler und gibt nur bei korrekt ausgeführter
Tätigkeit weitere Anweisungsschritte.
60 Andreas Bächler et al.
Das Montageassistenzsystem kommt dabei in zwei verschiedenen Szenarien zum Ein-
satz. In einem ersten Anwendungsfall wird das Assistenzsystem in einen Montagepro-
zess für Schraubzwingen an einem Einzelarbeitsplatz (siehe Abbildung 1) implementiert
und als zweite Anwendung an einer Montagezelle mit drei verketteten Arbeitsplätzen zur
Montage von PKW-Anlassern (siehe Abbildung 2).
Der Aufbau und die
Funktionsweise des As-
sistenzsystems für Kom-
missionierprozesse sehen
dabei folgendermaßen
aus:
In einem Durchlaufregal-
lager werden verschiede-
ne Artikel in Behältern
bereitgestellt. Quer dazu
ist ein höhenverstellbarer
Kommissionierwagen, an
eine über Linearschienen
verschiebbare Assistenz-
Abbildung 2: Assistenzsysteme in einer Montagezelle
einheit mit zwei Projekto-
ren, zwei Infrarotkameras, einer höhenverstellbaren Waage und einem Touchscreen
Monitor, angekoppelt. An dem Monitor wird ein Kommissionierauftrag ausgewählt und
mit der Zusammenstellung des Auftrages begonnen. Auch in der Kommissionierung
wird eine Variabilität der Anleitungsstufen durch adaptive und an die Nutzerbedürfnisse
angepasste Anleitungen, geboten. Zur Einstufung für die jeweilige Anleitungsstufe die-
nen ebenfalls die personenbezogenen Daten, die bisher in Kommissionierprozessen
verursachten Fehler und benötigten Zeiten.
Mit dem entwickelten
Prototypen können ent-
weder einzelne Artikel
oder ganze Behälter
kommissioniert werden.
Die Entnahme der Behäl-
ter oder Einzelteile wird
über einen Projektor mit
Lichtsignalen angeleitet.
Mit Hilfe dieser Aug-
mented-Reality Anzeigen
werden für den Prozess
erforderliche und unter-
stützende Informationen in Form von selbstentwickelten
Abbildung Symbolen,
3: Assistenzsystem für Piktogrammen,
Kommissionierprozesse
Entwicklung von Assistenzsystemen für manuelle Industrieprozesse 61
Bildern und/ oder Videos als Anleitung direkt in den Arbeitsbereich projiziert. Die Ent-
nahmeposition und -menge sowie weitere unterstützende Informationen werden auf
regalseitig befestigte Projektionswinkel abgebildet. Über eine Infrarotkamera sowie eine
Waage werden nach der Entnahme die korrekte Entnahmeposition und -menge kontrol-
liert. Die nachfolgende Ablegeposition in einem Behälter auf der Waage oder im Kom-
missionierwagen wird ebenfalls über projizierte Informationen abgebildet. Nach erfolg-
reicher Kommissionierung einer Auftragsposition werden auf dem Monitor
Informationen für das Verschieben des Kommissionierwagens bis zum nachfolgenden
Entnahmeort angezeigt und der Verschiebeprozess angeleitet.
4 Entwicklungsprozess
Die partizipative Entwicklung der Assistenzsysteme erfolgte dabei in vier Stufen nach
dem nutzerzentrierten bzw. -gerechten Entwicklungsprozess, in welchem die Fähigkeiten
und Bedürfnisse der zukünftigen Bediener im Mittelpunkt stehen. In einem ersten Schritt
wurden dabei die Interaktionspartner Mensch und Maschine untersucht. Danach erfolgt
mit den vorliegenden Ergebnissen die Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Inbe-
triebnahme der Hardware. Parallel dazu werden die Kommissionieranleitungen und das
Bediensystem entwickelt, evaluiert und ausgewählt. Parallel dazu erfolgt in einem dritten
Schritt die Entwicklung, Evaluierung und Auswahl der Anleitungen inklusive der Pikto-
gramme, Symbole und des Bediensystems. In einem letzten Schritt erfolgt nach der
Implementierung der Software die iterative Evaluation der gesamten Assistenzsysteme
zuerst in einer Vorstudie mit normal leistungsfähigen und anschließend in einer Feldstu-
die mit leistungsgeminderten Mitarbeitern.
Die zu Beginn durchgeführte Nutzeranalyse erfolgt durch eine Evaluierung und Analyse
der Nutzerbedürfnisse und -anforderungen in Form einer Fragebogenerhebung in einer
Werkstatt für behinderte Menschen. Die Fragebögen wurden von pädagogischen Fach-
kräften der Werkstätte für eine Anzahl von über 70 ihrer leistungsgeminderten Mitarbei-
ter ausgefüllt. Mit dieser Erhebung wurden Informationen über die Eigenschaften, Fä-
higkeiten und Bedürfnisse der zukünftigen Nutzergruppe ermittelt. Auf Grundlage dieser
Daten wurde die Hardware unter Berücksichtigung von ergonomischen Aspekten sowie
die Software unter Einhaltung der Usability Kriterien als intuitive Bedienoberfläche
konzipiert. Simultan dazu wurden Anleitungsvarianten und dazugehörige Piktogramme
konzipiert, welche die Mitarbeiter in ihren Tätigkeiten anleiten, unterstützen, kontrollie-
ren und ggf. Rückmeldung für eine schnelle und sichere Fehlerbehebung bieten. Die
Anleitungen stellen die durchzuführenden Handlungen in verständlicher und projizierter
Form als Lichtsignale dar. Die Vielzahl der Piktogramme wurde durch eine Fragebogen-
erhebung evaluiert und anschließend das Verständnis verschiedener Anleitungsformen in
einer praktischen Studie mit über 50 leistungsgeminderten Personen überprüft.
In einer abschließenden Studie wurde das Assistenzsystem für Kommissionierprozesse
in Bezug auf den Nutzen und die Beanspruchung den aktuell gängigsten Versionen von
62 Andreas Bächler et al.
manuellen Kommissioniersystemen (einer Papierliste, einer Displayanleitung und einem
Pick-by-Light System) gegenübergestellt und mit 24 leistungsgeminderten Mitarbeitern
in einer Feldstudie evaluiert. Die abschließenden Ergebnisse zeigen, dass sich das im
Zuge dieser Forschungstätigkeit entwickelte System vor allem durch eine hohe Akzep-
tanz und eine stark reduzierte Fehlerrate seitens der leistungsgeminderten Mitarbeiter
auszeichnet. Durch nähere Betrachtung der abhängigen Messvariablen Fehlerrate und
Beanspruchung der vier Referenzsysteme wird der weitere Nutzen des Systems deutlich.
Die abschließende Studie des Assistenzsystems für Montagetätigkeiten an einem Einzel-
arbeitsplatz wird derzeit noch im Zuge einer Feldstudie in einer Werkstatt für Behinderte
Menschen über einen Zeitraum von sechs Wochen getestet. Dort montieren leistungsge-
minderte Mitarbeiter an dem Einzelarbeitsplatz Schraubzwingen. Diese montieren zum
einen durch Unterstützung des neuentwickelten Assistenzsystems und im Vergleich dazu
mit dem bisherigen Stand der Technik, durch die Unterstützung einer Bildanleitung. Die
Ergebnisse dieser Studie werden derzeit ausgewertet und voraussichtlich Ende 2015
veröffentlicht.
5 Ausblick
Die entwickelten Assistenzsysteme für manuelle Industrieprozesse können mit kleineren
Anpassungen auch in anderen Industrieprozessen wie z.B. dem Verpacken, dem Bestü-
cken von Platinen oder auch dem Schaltschrankbau eingesetzt werden. Auch ein Einsatz
im medizinisch-sozialen Bereich als Operationsunterstützung, der Rehabilitation, der
Versorgung und Pflege oder dem Ambient Assisted Living ist denkbar. Dort könnten
gleichartige Assistenzsysteme im Zuge des Smart Homes bei Haushaltstätigkeiten wie
dem Kochen oder dem Auffinden von Haushaltsgegenständen eingesetzt werden.
Gleichzeitig könnte es auch interessant sein die Langzeitwirkung dieser Assistenzsyste-
me auf die Persönlichkeitsentwicklung der leistungsgeminderten Nutzer zu betrachten.
Dies könnten im Zuge einer Langzeitstudie und einer anschließenden Befragung erhoben
werden.
Danksagung
Dieser Beitrag ist im Rahmen des Projekts „motionEAP-System zur Effizienzsteigerung
und Assistenz bei Produktionsprozessen in Unternehmen auf Basis von Bewegungser-
kennung und Projektion“ entstanden. Das Projekt wird vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Energie (BMWi) unter dem Kennzeichen 01MT12021D gefördert und
vom DLR-Projektträger betreut.
Entwicklung von Assistenzsystemen für manuelle Industrieprozesse 63
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