Das neue Dreamteam

Ein Roboterarm zieht eine Bürste über die Lamellen und überzieht das Holz gleichmäßig mit Öl. In weniger als 15 Sekunden hat die Maschine die monotone Tätigkeit erledigt, mit der beim Lohnsburger Wellnessliegen-Hersteller First Class früher eine Fachkraft mehrere Stunden beschäftigt war. Auch in der Tischlerei Lidauer in Scharnstein ist ein Roboter am Werk. Das Unternehmen fertigt hochwertige Teakholzdecks für Luxusboote – höchste Genauigkeit und Sorgfalt sind hier erforderlich. Das aufwendige Verkleben und Versiegeln der Fugen zwischen den Planken hat ein Cobot übernommen. Der bislang manuell ausgeführte Prozess wird dadurch effizienter, nachhaltiger und präziser.

Die Anwendungen der beiden mittelständischen Unternehmen wurden im Rahmen des Mechatronik-Clusters der oberösterreichischen Standortagentur Business Upper Austria entwickelt. Als Forschungspartner fungierte die Profactor GmbH in Steyr, die an der Schnittstelle von Wissenschaft und Wirtschaft in den Bereichen industrielle Automatisierung und additive Fertigung an Lösungen arbeitet. Robotische Assistenzsysteme bringen derzeit einen spürbaren Innovationssprung in die Betriebe, der die Kollaboration auf eine neue Stufe stellt.

Doch Industrie 5.0 ist nicht bloß eine Weiterführung von Industrie 4.0. Markierte diese noch eine technologische Benchmark und wurde deshalb als neue industrielle Revolution gefeiert, stellt Industrie 5.0 verstärkt die partnerschaftliche Zusammenarbeit von Mensch und Maschine, u. a. durch KI-basierte Assistenz- und Kollaborationssysteme, in den Mittelpunkt. Damit verbunden sind auch kommunikationstechnische und ethische Überlegungen sowie Sicherheitsfragen. »Industrie 4.0 steht für die digitale, vernetzte Produktion: Daten werden entlang des Prozesses erfasst und genutzt, um Abläufe zu automatisieren, transparenter zu machen und die Effizienz zu steigern«, erklärt Julia Hofstätter, Center for Technology Experience am Austrian Institute of Technology (AIT). »Industrie 5.0 baut darauf auf, setzt jedoch drei Leitziele in den Vordergrund: Menschzentrierung, Nachhaltigkeit und Resilienz.« Im Rahmen des FFG-geförderten Forschungsprojekts DG Assist entwickelt das AIT ein Assistenzsystem, das die nachhaltige Produktion von hochwertigen Gussbauteilen für die Automobilindustrie sicherstellen soll.

Kleine, flexible Losgrößen
Die heimischen Forschungsinstitute beschäftigen sich intensiv mit Anwendungen kollaborativer KI. Kognitive Produktionsassistenz und adaptive Robotik bieten Unternehmen die Möglichkeit, schneller und effizienter auf die Volatilität des Marktes reagieren zu können. Kleine Losgrößen und wechselnde Produktvarianten stellen insbesondere KMU, darunter viele Handwerksbetriebe oder spezialisierte Zulieferer, vor große Probleme. Angesichts des Fachkräftemangels ist auch Zero Defect Manufacturing – die Produktion ohne Fehler – das Gebot der Stunde. Der gesamte Fertigungsprozess wird dabei mit Sensorik, Kameras und KI-Algorithmen überwacht. Schon während der Bearbeitung werden Abweichungen erkannt und die Einstellungen korrigiert.

Während sich klassische Industrieroboter durch ihre starre Logik eher für Großserienproduktion eignen, folgen die Anforderungen in KMU meist dem Prinzip »High Mix – Low Volume«: kleine Stückzahlen mit unterschiedlichem Design, oftmals mit geringem zeitlichen Vorlauf. Eine neue Generation von kollaborativen, adaptiven Robotern, die einfach zu bedienen und rasch umprogrammierbar sind, macht das Thema Robotik deshalb zunehmend aus wirtschaftlicher Sicht interessant.

Die größten Herausforderungen liegen derzeit noch in der Umsetzung, meint AIT-Forscherin Hofstätter: »Es braucht gute Daten und klare Datenhoheit. Der Engpass ist die Integration in Bestandsanlagen: Heterogene Maschinen, aufwendiger Retrofit und schwierige IT/OT-Schnittstellen bremsen die Skalierung.« Gleichzeitig steigen Anforderungen an Cybersecurity sowie Normen und Standards, besonders bei der Mensch-Roboter-Kollaboration in dynamischen Umgebungen. »In der industriellen Praxis ist eine echte Zusammenarbeit, bei der Mensch und Roboter gemeinsam Aufgaben lösen, weiterhin schwierig«, sagt die Technologie-Expertin. »Vor allem die durchgängige Einhaltung aller Sicherheitsvorschriften bei gleichzeitig hoher Flexibilität ist nach wie vor eine zen­trale – und in vielen Fällen noch nicht vollständig gelöste – Herausforderung.« Im AIT Large-Scale Robotics Lab werden autonome Arbeitsmaschinen wie Gabelstapler oder Holzverladekrane hinsichtlich dieser Fragestellungen getestet.

Ideale Ergänzung
Gekoppelt mit künstlicher Intelligenz ergeben sich weitere Optionen. So können Mitarbeiter*innen dem Roboter auf digitalem Weg eine Tätigkeit vorzeigen, etwa das Polieren eines Werkstücks oder das Schweißen individueller Metallkonstruktionen. Sensoren zeichnen die Bewegung auf, die Maschine lernt mit und führt den Vorgang beliebig oft aus – sogar bei nicht identischen Bauteilen oder Materialien. In einer völlig arbeitsteiligen Kollaboration markieren Mitarbeiter*innen mit einem digitalen Stift nur noch die Flächen, die bearbeitet werden sollen. Der Roboter erstellt daraus selbstständig den Bearbeitungsplan und führt die Arbeiten präzise und effizient aus. Hier ergänzen sich die Fähigkeiten von Mensch und Maschine ideal: Zeitaufwendige, monotone oder gefährliche Tätigkeiten übernimmt der Roboter, der Mensch bringt Wissen und Erfahrung ein und behält in komplexen Situationen den Überblick.

Während traditionelle KI meist in der digitalen Welt verankert bleibt, also Daten analysiert und Prozesse automatisiert, geht Physical AI darüber hinaus: Sie integriert Sensorik, Aktorik, kognitive Modelle und maschinelles Lernen in physische Systeme wie Roboter, Maschinen oder Fahrzeuge. Werden sie in einer realen Umgebung kontextbezogen und autonom handlungsfähig, könnte dies eine neue Ära intelligenter Maschinen einläuten.

Nicht zu menschlich
Kollaborative Robotik könnte hingegen schon bald in vielen Produktionsbetrieben Einzug halten. Die Zusammenarbeit wird von einer engen Mensch-Roboter-Interaktion ohne trennende Schutzzonen geprägt sein. Im Mittelpunkt dieser Industrie 5.0 steht der Mensch – eingebettet in ein Netz aus intelligenten Maschinen, digitalen Plattformen und lernfähigen Systemen.

Neben der Verfügbarkeit von validen Echtzeitmodellen, großen Rechenkapazitäten und einer engen Verzahnung von Hard- und Software ist wohl entscheidend, wie ungefährlich für die Mitarbeiter*innen die Integration von Maschinen in bestehende Produktionsumgebungen erfolgen kann. Der Roboter erkennt Objekte und ihre räumliche Lage, ein Sprachmodul übersetzt verbale Anweisungen in Text. Aber nur wenn diese verschiedenen Systeme schnell und reibungslos miteinander kommunizieren, ist die Sicherheit im Praxiseinsatz gewährleistet.

Die Roboter müssen für eine höhere Akzeptanz durch die Mitarbeiter*innen nicht unbedingt menschenähnlich aussehen. Martina Mara, Leiterin des LIT Robopsychology Lab an der JKU Linz, hält den Einsatz von humanoiden Robotern sogar für weniger sinnvoll: »Roboter sollten klar als Roboter erkennbar sein. Für viele Aufgaben sind ohnehin stabile, mobile Roboter mit klassischen Greifern oder spezialisierten Endeffektoren besser geeignet.« Mara erforscht mit ihrem Team psychologische Aspekte der Mensch-Maschine-Interaktion. Vertrauen ist dabei ein entscheidender Faktor. Ein leicht humanoides Design könne zwar helfen, die Interaktion intuitiver zu machen, meint Mara: »Wenn ein Roboter ›Augen‹ hat, aber dort keine Kameras sitzen, erzeugt das falsche Erwartungen.« Die Technologie entwickelt sich jedoch rasch weiter. In gar nicht so ferner Zukunft sind abseits der Fertigungsindustrie, wo Roboter bereits selbstständig Bauteile erkennen, greifen und bearbeiten, auch andere Anwendungsbereiche denkbar – etwa in der Logistik oder bei medizinischen Operationen und in der Pflege.

Derzeit noch Zukunftsmusik, aber »bereits ein sehr konkretes Ziel«, so AIT-Forscherin Julia Hofstätter, sind selbst­optimierende, adaptive Produktionssysteme, die sich an Nachfrage, Varianten und Störungen anpassen: »Dafür müssen Planung, Materialfluss, Prozessführung und Qualitätsprüfung durchgängig KI-gestützt in Echtzeit zusammenspielen – nicht als Insellösungen, sondern als integriertes Gesamtsystem.« Kernbausteine sind flexible, rekonfigurierbare Fabrikabläufe, eine Closed-Loop-Qualitätsregelung (Qualitätsdaten steuern den Prozess unmittelbar) sowie digitale Zwillinge, die nicht nur überwachen, sondern über prädiktive Wartung und Prognosen vorausschauende Entscheidungen ermöglichen. Durch Zero Defect Manufacturing werden Fehler nicht nur rechtzeitig erkannt, sondern schon vorbeugend verhindert. Auch Nachhaltigkeit wird in der Fabrik der Zukunft systematisch integriert und von Anfang an im Produkt- und Prozessdesign mitgedacht.

»KI auf dem Shopfloor«

Mit kleineren Stückzahlen und hoher Variantenvielfalt bringt Robotik auch für KMU Wettbewerbsvorteile, meint Christoph Breitschopf, Geschäftsführer von Profactor.

Christoph Breitschopf arbeitet an der Schnittstelle von Wissenschaft und Wirtschaft.

Bringt Industrie 5.0 nochmals einen entscheidenden Entwicklungssprung?

Christoph Breitschopf: Aus meiner Sicht ja: Industrie 5.0 verschiebt den Fokus von »nur digital« hin zu menschenzentrierter, resilienter und nachhaltiger Produktion – mit einer viel engeren Integration von Mensch und Maschine. Bei Profactor treiben wir dafür u. a. Re-manufacturing Systeme sowie kognitive und physische Produktionsassistenz voran, um Wettbewerbsfähigkeit und Qualität spürbar zu heben.

Kommen robotische Assistenzsysteme auch für KMU infrage?

Breitschopf: Definitiv. Gerade bei kleinen und mittleren Stückzahlen und hoher Variantenvielfalt sind flexible robotische Lösungen und kamerabasierte Erkennung, mit kurzen Rüstzeiten und intuitiver Bedienung, eine attraktive wirtschaftliche Alternative. Das zeigt sich am Beispiel einer realisierten kollaborativen Fertigungslösung für das automatisierte Ausfugen im Bootsbau. Dieser Ansatz kann dabei einfach auf andere Anwendungen wie das Lackieren, Ölen, Kleben, Beschichten etc. übertragen werden.

Wie wird physische KI die Industrie verändern?

Breitschopf: Physische KI bringt KI »auf den Shopfloor«: Assistenz- und Robotiksysteme nehmen Situationen besser wahr, reagieren adaptiv und unterstützen Menschen direkt im Prozess. Genau daran arbeiten wir: Profactor entwickelt Systeme, die Intelligenz und Rechenleistung mit Denkvermögen und Kraft sinnvoll kombinieren – für hochflexible Produktion und weniger Fehler, etwa durch integrierte Qualitätskontrolle und Dokumentation in Assistenzlösungen.