Akustische Basissignale für mobile Logistik-Roboter

Einführung

Der in den vergangenen Jahren zunehmende Kostendruck, kombiniert mit wirtschaftlichen Unsicherheiten und dem Fachkräftemangel, erhöht branchenübergreifend die Anforderungen, die Unternehmen an ihre innerbetrieblichen Materialfluss- und Lagerprozesse stellen [1].

Um dem sich verändernden Arbeitsmarkt und den gleichzeitig wachsenden wirtschaftlichen Anforderungen zu begegnen, setzt man in der Intralogistik vermehrt auf die Automatisierung von Prozessen, wobei insbesondere AMR (Autonomous Mobile Robots) an Bedeutung gewinnen. Ihr Einsatz reduziert den Personalbedarf und nimmt zugleich maßgeblich Einfluss auf die Ergonomie und das Aufgabenprofil der Beschäftigten. Für diese treten nun koordinative und unterstützende Aufgaben in den Vordergrund, da ein Großteil der körperlich belastenden und repetitiven Aufgaben nun durch die robotischen Helfer übernommen werden. Zusätzlich nehmen auch andere Faktoren, wie z. B. das Arbeitsumfeld, das Kollegium oder die Arbeitsmittel, Einfluss auf die Ergonomie und Attraktivität einer Beschäftigung. Roboter treten hierbei zugleich als Arbeitsmittel, aber auch verstärkt als „robotische Kollegen“ auf, was neue Ansprüche an die Mensch-Roboter-Interaktion stellt (Bild 1). [1, 2, 3]

Bild 1

Veranschaulichung akustischer Mensch-Roboter-Interaktion (Der abgebildete Transportroboter wurde in der Online-Studie zur Visualisierung der abgefragten Interaktionssituationen – hier das Einfahren in eine Kollaborationszone –verwendet)

Stand der Technik

AMR benötigen, anders als AGVs (Automated Guided Vehicles), keine vorgegebenen Fahrrouten. Ihre autonome Navigation erlaubt flexible Änderungen der Logistik-Infrastruktur und zum Teil ein selbstständiges Reagieren auf im Betrieb auftretende Störungen, wie z. B. ein Hindernis. Dies ermöglicht nicht nur eine Teilnahme am innerbetrieblichen Werksverkehr im Mischbetrieb mit Passanten und anderen Fahrzeugen, sondern auch das Arbeiten von Menschen und Robotern in einer gemeinsamen Kollaborationszone und somit auch einen nahtlosen Transport bis an die Montage. [2, 4, 5]

Abhängig vom Anwendungsfall sind fahrzeugseitige Warneinrichtungen vorzusehen. Hierzu zählen u. a. Fahrtrichtungsanzeiger (Blinker) oder akustische Warnsignale. Zu letzteren empfehlen die einschlägigen Normen bzw. Richtlinien derzeit lediglich ein akustisches Signal für die Ankündigung des Anfahrens nach einem Stillstand von mehr als 10 Sek., ein Bewegungssignal im Allgemeinen und insbesondere für die Bewegung einer Bebzw. Entladevorrichtung sowie einen akustischen Signalgeber (Hupe). Jedoch dürfen diese Signale auch rein optisch erfolgen, weshalb manche AMR werksseitig lediglich über ein akustisches Signal verfügen, das als Hupe und zur Anzeige des baldigen Anfahrens dient. [5, 6]

Vor dem Hintergrund des zunehmend kollaborativen Einsatzes und der autonomen Teilnahme am Werksverkehr gilt es daher, die akustischen Signaleinrichtungen und Interaktion im Allgemeinen passend zu den neuen Anwendungsfällen weiterzuentwickeln.

Methodisches Vorgehen

Sprache, aber auch die Bedeutung akustischer Signale im Allgemeinen müssen durch wiederkehrende Assoziation erlernt werden, bis sie uns nicht nur verständlich, sondern letztlich intuitiv erscheinen. Anders als bei einem klassischen Arbeitsvorgang beschränkt sich dieser Lernprozess nicht nur auf das Arbeitsumfeld, sondern umfasst alle Lebensbereiche. Diesen Zusammenhang macht man sich zunehmend auch bei der Produktentwicklung zu eigen. Bereits erlernte akustische Assoziationen werden als Teil eines auditiven Designs aufgegriffen und gezielt auf die Funktionen eines Produktes adaptiert. Hierdurch verkürzt sich nicht nur der Lernprozess, gerade bei produktübergreifenden Anwendungen wird vielmehr ein intuitives Verständnis des Systems und damit indirekt dessen Akzeptanz gefördert. [7]

An der Methodik einer solchen userorientierten Produktentwicklung orientiert sich daher der Aufbau der nachfolgend beschriebenen zweiteiligen Studie zu akustischen Signalen für Roboter in der Intralogistik. Anstatt von Grund auf neue akustische Signale zu erstellen, wurden im Sinne eines intuitiven Verständnisses und einer hohen Usability bekannte Assoziationen aufgegriffen und in Form eigenständiger akustischer Signale auf die Zusammenarbeit mit AMR übertragen. [8]

Um vielfältige Assoziationen einzubeziehen und um eine möglichst große und soziodemografisch vielschichtige Datenbasis zu erhalten, wurde zunächst eine quantitative Erhebung in Form einer Onlinestudie durchgeführt. Gemäß des Adaptionsansatzes aus dem auditiven Design, der durch den Fachkräftemangel erhöhten Arbeitskräftefluktuation und unter Berücksichtigung des sich nicht auf die Intralogistik begrenzenden Lernprozesses wurden bewusst auch Probanden mit wenig oder keiner logistischer Fachkenntnis einbezogen. Analog wurden auch akustische Signale aufgegriffen, die nicht aus dem industriellen Umfeld stammen. Neben Alltagssituationen, wie u. a. dem häuslichen Umfeld oder dem Straßenverkehr wurde der im Kontext der Mensch-Roboter-Interaktion nicht zu vernachlässigende Einfluss der Pop-Kultur (u. a. in Medien, Unterhaltungselektronik etc.) bedacht. Zusätzlich zur Gesamtauswertung wurden die Ergebnisse den isolierten Antworten der Kernzielgruppe gegenübergestellt, um so nicht nur soziodemografische Faktoren, sondern auch anderweitig etablierte Konzepte oder charakteristische Präferenzen berücksichtigen zu können. [2, 8, 9]

Neben den hierfür erforderlichen Erhebungen zur soziodemografischen und fachlichen Zuordnung wurden die Probanden zu auf Basis vorangegangener Untersuchungen [3] ausgewählten charakteristischen Interaktionssituationen mit AMR befragt. Hierbei galt es, zunächst eine Vorauswahl an akustischen Signalen und deren Eignung für die jeweilige Situation in Form eines Rankings zu bewerten. Für die grafische Veranschaulichung der Situationen wurden diese mit einem Unterfahr-AMR nachgestellt, wie in Bild 1 exemplarisch gezeigt. Um die Repräsentativität der Vorauswahl zu überprüfen, sollten auch ungeeignet erscheinende Signale markiert werden.

Die verbliebenen Fragen betrachteten jeweils das im Ranking favorisierte akustische Signal. Zur quantitativen Evaluation der subjektiven Gebrauchstauglichkeit wurde der sog. System Usablity Scale [10, 11] abgefragt – hier um nicht relevante Fragen reduziert zu einem rSUS [8]. Weiterhin wurden den Probanden verschiedene Transferszenarien vorgeschlagen, um dem Vorbild des auditiven Designs folgend, die Eignungs- und Assoziationsgrenzen genauer zu erkennen.

Insgesamt nahmen 124 Personen von April bis Juni 2023 an der Onlinestudie teil. Hiervon hatten rund 31 Prozent einen direkten, weitere 41 Prozent einen indirekten fachlichen Bezug zur Intralogistik oder bereits Kontakt mit AMR. Dabei bewerteten die Probanden ihre favorisierten akustischen Signale durchschnittlich mit einem rSUS-Wert von 78,12, was nach den etablierten Interpretationen von Bangor [11] bzw. Sauro [10] der Note B / „Good“ bzw. einem „Acceptable“ entspricht. Für eine umfängliche Vorstellung der Situationen und akustischen Signale sowie des Aufbaus der Studie sei an dieser Stelle jedoch auf die zugrundeliegende Studienarbeit [8] verwiesen.

Um die Validität der quantitativ erhobenen Daten zu gewährleisten, wurden diese im zweiten Schritt der Studie qualitativ überprüft. Hierzu wurden im Januar 2024 Interviews mit sechs Experten aus der Forschung und Entwicklung, dem Vertrieb und dem Marketing von AMR [12, 13, 14, 15, 16, 17] geführt.

Ergebnisse

Im Folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse der quantitativen Erhebung und deren Bewertungen durch die Experten vorgestellt, die nach den neun Interaktionssituationen gegliedert sind:

Allgemeines Fahrgeräusch

Über die Notwendigkeit eines allgemeinen Fahrgeräusches waren sich die Experten, anders als die Probanden, weniger einig. Letztere favorisierten auch hier mit 77 Prozent erneut das bekannte und u. a. zur besseren Wahrnehmung im Straßenverkehr auch vorgeschriebene Fahrgeräusch eines Elektrofahrzeuges (vgl. Bild 2) [8, 18].

Bild 2

Ausgewählte Ergebnisse des Rankings von ausgewählten akustischen Signalen der Probandenstudie (Teil 1)

Für einige Experten ist dies eine logische Konsequenz der Argumentation zum Anfahren eines AMR. Auch hier ist seitens DIN EN ISO 3691-4 [6] ein optisches „und/oder“ akustisches Signal vorzusehen. Letzteres wäre nach Meinung der Experten in einem lauten Arbeitsumfeld jedoch nur schwer wahrzunehmen und würde beim Einsatz vieler AMR die akustische Belastung weiter steigern. Anzustreben sei daher, zusätzlich zu den etablierten optischen, auch akustische Signale abhängig vom Lärmpegel oder der Position nur in ruhigen Arbeitsumgebungen abzuspielen, wenn diese wahrzunehmen oder hilfreich seien. In solchen Fällen könnte es eine sinnvolle Ergänzung zum nicht vorgeschriebenen „Floor-Spot“ sein, dessen verbindliche Einführung für motorisierte Flurförderzeuge (FFZ) von der Mehrheit der Experten befürwortet wurde. [12, 13, 14, 15, 16, 17]

Einfahren in eine Kollaborationszone

Beim mit Situation 1 verwandten Einfahren in eine Kollaborationszone stimmte der Großteil der Experten zu, dass ein akustisches Signal sinnvoll sei. Nicht nur der Hinweis, dass der AMR anfahre, sei relevant, sondern auch, dass dieser in den Arbeitsplatz eines Menschen einfahre, insbesondere mit Blick auf zunehmend kollaborative Arbeiten. [8, 13, 14, 15, 16, 17]

Mit 66 Prozent am häufigsten von den Probanden auf das Podium gewählt wurde der Begrüßungston des bereits vorgestellten Star-Wars-Droiden BB-8 (vgl. Bild 3) [8]. Eine solche „kollegiale“ Begrüßung befürwortet ein Teil der Experten [13, 15]. Diese Situation sei ein Beispiel, wo sich vermenschlichte Interaktionen einbauen ließen, ohne Sicherheitsaspekte zu tangieren. Andere zeigen sich gegenüber der Präferenz der Probanden skeptisch. Hier sei das mit 58 Prozent zweitplatzierte Signal einer Durchsagenankündigung, beispielsweise bekannt von Bahnhöfen, ein geeigneter Kompromiss. Es gelte, eine professionelle Distanz zu wahren; AMR seien Arbeitsmittel und sollten daher primär auch so behandelt werden [12, 14, 16, 17].

Bild 3

Ergebnisse des Rankings von ausgewählten akustischen Signalen der Probandenstudie (Teil 2)

Probleme des Be- und Entladens

Der von einigen Experten für das technische Problem vorgeschlagene Gurtwarner wurde durch die Probanden mit 87 Prozent einem Problem des Be- und Entladens zugesprochen (vgl. Bild 3). Die Assoziation einer nicht ausreichend gesicherten Ladung, analog zu den Insassen eines Fahrzeuges, sei naheliegend. Gleichzeitig führe das zu einem Fehlerzustand und somit verallgemeinert für AMR zu einem technischen Problem, rekonstruieren die Experten den Zusammenhang. [8, 15, 16, 17]

Dabei sprechen sich sowohl die Experten als auch die Probanden überwiegend für ein allgemeines, anstatt für verschiedene Probleme zu differenzierende Signale aus. Zu unterschiedlich seien die Bauformen und daraus hervorgehende Fehler. Ein allgemeines akustisches Signal in Kombination mit, sofern möglich, einer Klartextanzeige oder zumindest eindeutigen Farb- oder Fehlercodes wären eine praktikable Lösung, welche sich bereits bewährt hätte. Gleichzeitig beziehen sich die Experten auf ihre vorangegangene Argumentation, man könne so eine gemeinsame Lösung sowohl für technische als auch Probleme des Be- und Entladens finden und stattdessen für den Not-Stopp ein eigenes Signal vorsehen. [8, 12, 13, 14, 15, 16, 17]

Einordnung

Die neun untersuchten Situationen lassen sich aufgrund der Studienergebnisse entsprechend ihrer Kernintention in zwei Arten differenzieren:

Den ersten, sich auf Bewegungen des AMR beziehenden Situationen (Nr. 1–5), ist eine einseitige und rein informative Intention gemein. Für solche Situationen legen die Ergebnisse der Studie nahe, dass der AMR primär mit einem elektrischen Fahrzeug bzw. in Bezug auf die Intralogistik mit einem elektrischen FFZ assoziiert wird. Sowohl von den Probanden als auch von den Experten erhielten die Adaptionen von im Straßenverkehr etablierten akustischen und optischen Signalen fortwährenden Zuspruch.

Vor dem Hintergrund des thematisierten Fachkräftemangels scheinen diese Signale besonders geeignet, da sie auch ohne Fachwissen und, wie eine soziodemografische Auswertung der Probandenstudie zeigt (Bild 4), generationenübergreifend durch bereits vorhandene Assoziationen intuitiv verstanden werden. Sie bieten sich darüber hinaus für eine hersteller- und domänenübergreifende Vereinheitlichung an, die der Sicherheit aller am innerbetrieblichen Verkehr Beteiligten zugutekommen könnte.

Bild 4

Demografische Auswertung der Probandenstudie zu Fahrzeug- und Pop-Kultur-Signalen [8]

Tritt jedoch eine bidirektionale Mensch-Roboter-Interaktion in das Zentrum (Nr. 6–9), sind sich nicht nur die Experten, sondern auch die Probanden bei ihren Präferenzen zur Gestaltung weniger einig. Hierbei kommt der kontroverse Aspekt einer Vermenschlichung des AMR zu einem „robotischen Kollegen“ zum Tragen. Laut einem Teil der Experten besitzt dies ein Potenzial zur Akzeptanzsteigerung von Robotik. Sie führen an, dass bereits viele Anwender ihren Robotern Namen gäben und dass sich in anderen Bereichen (u. a. der Pop-Kultur) vermenschlichte Roboter bei Jüngeren einer wachsenden Beliebtheit erfreuten [12, 13, 15]. Die demografische Auswertung der Akzeptanz von Pop-Kultur-Signalen unter den Probanden (vgl. Bild 4) bestärkt diese Argumentation.

Handlungsempfehlung und Ausblick

Um AMR im Sinne der Akzeptanz und der harmonischen Zusammenarbeit weiterzuentwickeln, muss differenziert werden, wann diese als Arbeitsmittel und wann als „robotische Kollegen“ aufgefasst werden sollen. Gleichzeitig ist die Standardisierung ein zentraler Beweggrund bei der Interaktionsgestaltung.

Den Assoziationen lässt sich hierbei eine essenzielle Rolle zuordnen. Situationsabhängig nehmen sie maßgeblich Einfluss auf die Intuitivität eines Signals. Umgekehrt erlaubt es diese Kausalität, im Falle von akustischen Signalen den Grad der Professionalität von einer spielerischen kollegialen Interaktion bis hin zu einem emotionslosen, möglicherweise dominanten da sicherheitsrelevanten Hinweis zu definieren.

Neben der bekannten Kategorisierung von Signalen nach ihrer Sicherheitsrelevanz legen die Ergebnisse der Probandenstudie und deren Einordnung durch die Experten die Notwendigkeit einer weiteren Betrachtungsweise nahe. Diese sollte ihren Fokus auf die situationsabhängige Assoziation des AMR richten, was zugleich die Grundlage für einen Kompromiss bilden könnte.

Signale, die sich Funktionen bzw. Bewegungen zuordnen lassen, könnten weitgehend standardisiert und durch Normen gefestigt werden. Nicht nur bei AMR, sondern für den gesamten innerbetrieblichen Verkehr mit anderen Fahrzeugen und Passanten könnte eine weitere fahrzeugübergreifende Vereinheitlichung eine Bedeutungsklarheit und somit ein intuitives Verständnis fördern.

Umgekehrt gilt es, Signalen der Interaktion eine entsprechende Gestaltungsfreiheit einzuräumen. Aspekten des auditiven Designs und der auch von den Experten angeführten Markenidentitäten würde so ein entsprechender Raum gewährt, während indirekt durch den Wettbewerb weitere Innovationen gefördert würden. [12, 13, 15, 17]

Abschließend sollte der Blick noch über die Grenzen der Intralogistik hinaus auf andere Branchen gerichtet werden. Sowohl in der Agrar-, als auch der Bauindustrie wachsen die Anwendungsmöglichkeiten mobiler Roboter. Gleichzeitig halten Lieferroboter Einzug in das öffentliche Leben. Das Einsatzgebiet mobiler Roboter wird sich folglich in den kommenden Jahren stark erweitern. Bereits jetzt sollten daher Entwicklungen an den Mensch-Maschine-Schnittstellen das Wiedererkennungspotenzial einer breiten Nutzerbasis berücksichtigen.