Kompetenzentwicklung zur Gestaltung von Mensch-Roboter-Kollaboration unter Anwendung eines Mixed-Reality-basierten Lehr-Lernkonzeptes

Ausgangssituation und Problemstellung

Kollaborative Roboter (Kobots) gelten als Schlüsseltechnologie für wandlungsfähige Produktionsprozesse, insbesondere bei kleinen Losgrößen. Viele kleine und mittlere Unternehmen können jedoch weder die notwendigen Schulungsstrecken aufbauen noch reale Anlagen für Lernzwecke bereitstellen. Gleichzeitig existieren bislang nur herstellerspezifische oder auf reine Programmierfragen reduzierte Weiterbildungsangebote. KoRA adressiert diesen doppelten Engpass, indem es eine Mixed-Reality-Lernsoftware entwickelt, die komplexe Montageaufgaben virtuell erfahrbar macht, Gefahrenfreiheit garantiert und projektförmiges, arbeitsprozessnahes Lernen ermöglicht.

Im Projekt KoRA wird ein Lehr-Lernkonzept gestaltet, welches zur Entwicklung und Förderung von Kompetenzen im Bereich der Kollaborativen Robotik und der Gestaltung von Mensch-Roboter-Kollaboration in der beruflichen Aus- und Weiterbildung dient. Dies wird mit einer Mixed-Reality-Lernsoftware umgesetzt, in der komplexe Montageprobleme in Form von Lern- und Arbeitsaufgaben gelöst werden. Im Kontext der Entwicklung wird parallel das notwendige haptische Feedback für die Zielgruppen untersucht. Durch den Transfer in die virtuelle Realität ist der Arbeitsprozess losgelöst vom realen betrieblichen Ablauf erfahr- und gestaltbar. Somit ist ein projektförmiges und handlungsorientiertes Lernen möglich.

Fragestellung

1. Wie lässt sich ein didaktisch fundiertes Lehr-Lernkonzept gestalten, das Beschäftigte und Auszubildende befähigt, Kobots fachgerecht einzurichten, sicher zu betreiben und Montageprozesse eigenständig zu optimieren?

2. Welchen Einfluss hat haptisches Feedback unterschiedlicher Ausprägung auf Lernprozess und Kompetenzaufbau in virtuellen Umgebungen; welche Werkzeugklassen (statisch, dynamisch, kinematisch) benötigen welches Feedback-Level?

3. Unter welchen technischen, organisatorischen und curricularen Bedingungen kann die KoRA-MR-Lernsoftware an unterschiedlichen Lernorten (Betrieb, Berufsschule, ÜBA) implementiert und breit skaliert werden?

Vorgehensweise

• AP 1 Zielgruppen- und Technologieanalyse (PM 1 – 6): Erhebung von VR/AR-Vorerfahrungen und Anforderungen, Erstellung eines Lastenhefts; Arbeitsprozessmatrizen zur Identifikation haptik-relevanter Tätigkeiten

• AP 2 Lehr-Lernkonzept und Lern-/Arbeitsaufgaben (PM 4 – 14): Entwicklung eines modularen MR-Lehr-Lernkonzepts; erste Lern- und Arbeitsaufgabe als Prototyp für die Haptik-Studie

• AP 3 Haptik-Bedarfsanalyse (PM 7 – 14): Technische Vorbereitung, Untersuchung des Feedback-Bedarfs und Ableitung von Gestaltungsempfehlungen

• AP 4 Implementierung MR-Lernsoftware (PM 15 – 22): Aufbau der Software auf Basis FORESTAGE / Boxplan, Integration digitaler Zwilling der EMMA-Montageanlage

• AP 5 Validierung (PM 22 – 30): Vergleich reale vs. virtuelle Lernumgebung, Entwicklung und Anwendung eines Validierungskonzepts mit Befragungs- und Beobachtungsinstrumenten

• AP 6 Breitenwirksamkeit und Train-the-Trainer (PM 31 – 36): Konzept für überbetriebliche Übungszentren, Geschäftsmodell, erprobte TTW-Formate für Lehr- und Ausbildungspersonal

• AP 7 Ergebnisdokumentation und Verbreitung (PM 1 – 36)

Ergebnisse

• Eine funktionsfähige MR-Lernsoftware mit realitätsnaher Visualisierung der experimentellen Montageanlage (EMMA) und integrierten Gamification-Elementen liegt vor.

• Zwölf validierte Lern- und Arbeitsaufgaben decken die Anforderungsbereiche „Gefahren erkennen“, „Mensch-Maschine-Interaktion gestalten“ und „Montageprozesse optimieren“ ab; die Validierung zeigte hohe Akzeptanz und Lernwirksamkeit bei allen Zielgruppen.

• Die Haptik-Studie identifizierte differenzierte Feedback-Bedarfe: statische Werkzeuge benötigen Gewichts- und Formsimulation, kinematische Werkzeuge primär Vibrationsfeedback; die Erkenntnisse flossen in die finale Softwareversion ein.

• Ein zertifiziertes Train-the-Trainer-Programm und ein Leitfaden erleichtern eigenständige Implementationen; 30 Lehr- und Ausbildungskräfte wurden pilothaft geschult

Dissemination/ Transferaktivität

• Digitale Kanäle: Projektwebsite, offene Download-Sektion, Bildungslizenzen; Veröffentlichung von Software-Updates und Lernmaterialien

• Praxisformate: Konzept für regionale Übungszentren, Road-Show bei VDMA-Robotik- Arbeitskreis, Demonstrationen auf der Messe automatica

• Wissenschaft & Fachöffentlichkeit: Dokumentation aller Ergebnisse (AP 7.1), Fachartikel, Vorträge auf Berufsbildungs- und Robotik-Konferenzen; internationale Verbreitung über Partnernetzwerke

• Nachhaltigkeit: Memoranda of Understanding mit Berufsbildenden Schulen und Industriepartnern sichern dauerhaften Einsatz in Ausbildung und Weiterbildung; Geschäftsmodell für kommerziellen Vertrieb über SALT AND PEPPER Software

KoRA liefert damit ein transferfähiges Lehr-Lern-Ökosystem, das die Kompetenzentwicklung für Mensch-Roboter-Kollaboration auf eine skalierbare, risikoarme Mixed-Reality-Basis stellt und zugleich neue Wege für betriebliches wie schulisches Lernen in digitalisierten Produktionsumgebungen eröffnet.