Kollaborative Roboter in kleinen und mittleren Unternehmen – eine Studie zur Machbarkeit aus der Fertigungsindustrie

Der nachfolgende Artikel beschreibt Cobots und deren Nutzen für Unternehmen. Vorgestellt wird ein wissenschaftlich erhobenes Modell, in dem wirtschaftliche und technische Planungsbestandteile zusammengeführt werden. In diesem Kontext wurden Herausforderungen für KMU untersucht und ein Modell entwickelt, das die Herausforderungen konstruktiv adressiert.

Die Urheber des Modells erwähnen finanzwirtschaftliche Kennzahlen als einen möglichen Vergleichsindikator für die unterschiedlichen Robotersysteme. Damit auch bei unvollständigen oder unsicheren Prognosedaten eine wirtschaftliche Entscheidung möglich ist, werden in diesem Artikel verschiedene Methoden zur Näherung solcher Kennzahlen vorgestellt. Abschließend erfolgt eine kritische Einordnung der Ergebnisse.

Cobots in Unternehmen

Kollaborative Roboter (Cobots) werden in Unternehmen vermehrt zur Prozessoptimierung eingesetzt [10, S. 1]. Cobots sind Leichtbauroboter mit integrierter Kraft und Leistungsbegrenzung. Sie werden an Orten eingesetzt, an denen Menschen und Roboter ohne zusätzliche Schutzvorrichtungen mit- oder nebeneinander arbeiten. Die Steuerung erfolgt über eine handliche Fernsteuerung, „lead through“-Programmierung oder grafische Benutzeroberflächen auf Computern und Tablets.

Was sind die Herausforderungen der KMU?

Im Gegensatz zum Einsatz komplexerer Robotersysteme sind Cobots für kleinere Losgröße und entsprechend geringe Umrüstzeiten besser geeignet als größere Roboter [1]. Cobots werden in der Produktion genutzt, um die Wettbewerbsfähigkeit, Nachhaltigkeit und Arbeitssicherheit des Unternehmens zu verbessern. Sie übernehmen wiederkehrende Aufgaben und machen Produktionsprozesse flexibler [10, S. 2]. Die Herausforderungen bei der Einführung von Cobots im Unternehmen unterscheiden sich für die einzelnen Planungsschritte. Um der Komplexität der Technik zu begegnen, wird Fachwissen benötigt. Die Einbindung des Cobots in die betriebstechnische Infrastruktur ist, je nach Zustand der Infrastruktur, nicht trivial. Die dazu aufzuwendenden finanziellen Mittel stellen für sich genommen oft selbst eine Herausforderung dar. Wie kann diesen Herausforderungen konstruktiv begegnet werden und welche Lösungen sind möglich? Im folgenden Artikel wird ein Machbarkeitsmodell vorgestellt, das kleine und mittlere Unternehmen (KMU) befähigt, die Fragen für den eigenen Anwendungsfall zu beantworten. Das Modell wurde wissenschaftlich erhoben und validiert. Das Besondere: Im Modell werden sowohl die wirtschaftlichen als auch die technologischen Herausforderungen adressiert [10, S. 2f.]. Zusätzlich wird ein Anwendungsfall beschrieben, in dem eine Konfiguration eines Arbeitsplatzes für die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) vorgestellt wird.

Cobot zur Unterstützung bei Pick-and-Place-Prozess

Foto: © Aleksandra Himstedt/BIBA

Die Studie: Literaturrecherche und Feldforschung

Für die Entwicklung des Modells untersuchten die Autoren den aktuellen Forschungsstand zum Einsatz von Cobots in der Fertigungsindustrie am Beispiel kleiner und mittlerer Unternehmen. Eine systematische Literaturrecherche ergab 15 relevante Studien. Diese drehten sich entweder um die technischen oder die wirtschaftlichen Aspekte bei der Einführung von Cobots. Eine ganzheitliche Betrachtung fehlt [10, S. 7]). Die Recherche zeigt außerdem, dass Cobots hauptsächlich in Montageprozessen oder bei der Umrüstung von Werkzeugen oder dem Befüllen von Magazinen eingesetzt werden. Dabei wurde aber weniger auf die speziellen Herausforderungen für KMU eingegangen [10, S. 4]. Auf Basis der Literaturrecherche stellten die Autoren der Studie fest, dass die technische Machbarkeit hauptsächlich davon abhängt, wie der Produktions- oder Fertigungsbereich aufgebaut und der Prozess organisiert ist. Hier unterstützt eine Prozessanalyse der betroffenen Bereiche die Identifikation eines für den Coboteinsatz geeigneten Ablaufs. Aus der Übersicht der Abläufe des betroffenen Bereichs ergibt sich zudem die Identifikation eines passenden Cobots. Passend insofern, als dass sich die Geräte in Größe und Leistung unterscheiden. Leistungsstärkere Cobots sind beispielsweise dann sinnvoll, wenn schwere Gegenstände bewegt werden müssen. Schließlich wird geprüft, ob Produkte oder Prozesse individuell angepasst werden können, um den Einsatz zu erleichtern. So können notwendige Vorarbeiten, wie die Risikobewertung und die Erfüllung gesetzlicher Sicherheitsstandards, anforderungsgerecht umgesetzt werden. Gewünschte Zusatzfunktionen, beispielsweise die Einbindung in die digitale Firmeninfrastruktur oder der Einsatz von Simulationsprogrammen, können die technische Machbarkeit und den resultieren wirtschaftlichen Aufwand erheblich beeinflussen [10, S. 7f.].

Die Prüfung der wirtschaftlichen Machbarkeit umfasst eine idealerweise vollumfängliche Gegenüberstellung der zu erwartenden Kosten und Erträge. Auf der Seite der Kosten werden die Anfangsinvestitionen, der Aufbau von Fachwissen im Unternehmen und der Betrieb des Cobots betrachtet. Die Erträge ergeben sich aus möglichen Einsparungen und zusätzliche Einnahmen durch den Einsatz, beispielsweise durch eingespartes Material oder eine geringere Durchlaufzeit des Prozesses. Durch die Bestimmung und Interpretation von finanzwirtschaftlichen Kennzahlen kann der Entscheidungsprozess zielführend unterstützt werden. Geeignete Methoden sind die „Interner Zinsfuß-Methode“ und die „Abgezinste Amortisationszeit-Methode“, deren Anwendung je nach Prozess unterschiedlich komplex sein kann. Für KMU werden vereinfachte Berechnungsansätze vorgeschlagen, um abstrakte Teile der Berechnung vernachlässigen zu können [10, S. 10]. Ein Vorschlag dazu findet sich in dem Abschnitt zur vereinfachten Investitionsrechnung. Zur Validierung der Ergebnisse wurden in zwei Interviewrunden Experten aus der Industrie befragt. Auf Basis der Ergebnisse wurde das Modell an die Bedürfnisse von KMU angepasst [10, S. 11]. Die methodische Auswertung der Interviews bestätigte fast alle Anforderungen des Modells. 98% der Experten stimmten dem Modell zu [10, S. 13].

Das Modell

Das folgende Modell zur Überprüfung der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit umfasst die aus der Literatur erhobenen Pflicht- und Kann-Anforderungen, die mittels Expertenmeinungen validiert wurden.

Pflichtanforderungen des Machbarkeitsmodells

Die Pflichtanforderungen sind erfolgskritisch für die Einführung von Cobots. 

• Berücksichtigung der ISO TS 15066 („Robots and robotic devices – Collaborative robots“, 2016), um Handlungssicherheitsstandards einzuhalten.
• Entwurf und Systemintegration gemäß ISO 10218 (Sicherheitsanforderungen von Industrierobotern: Internationale Sicherheitsstandards – Teil 1 und 2, 2011).
• Erfassung des Prozesses nach spezifischen Kriterien für die bevorstehende Automatisierungslösung, hier: dem Cobot.
• Risikobewertung, um potenzielle Berührungspunkte zwischen Teilen des Robotersystems und einem menschlichen Bediener zu ermitteln.
• Festlegung der Sicherheitskonfiguration, um einen sicheren Betrieb im Sinne der Risikobewertung zu gewährleisten.
• Berücksichtigung der Benutzerfreundlichkeit für das operative Layout und den Materialfluss.

Erfahrungen sammeln am Technologie-Demonstrator

Foto: © Jan Meier/BIBA

Die Richtlinie ISO TS 15066 ist als Anleitung für Anwender von Cobot-Robotersystemen formuliert worden, als Ergänzung zur ISO 10218, die erst kürzlich aktualisiert wurde. Die Verwendung soll Anwendern mehr Sicherheit bei der Risikobewertung und der Sicherheitskonfiguration geben. Die Anwendung, explizit der Anhang A, ist aber nicht trivial. Es wird tiefergehendes Wissen in Bezug auf den Arbeitsprozess und Ergonomie allgemein vorausgesetzt [11]. Mit der Einführung der ISO 10218-1/2:2025 Robotik: Sicherheitsanforderungen Teil 1 und 2 wurde die Richtlinie aus 2011 komplett überarbeitet und die Inhalte der nur für Cobots geltenden ISO TS 15066 weitestgehend übernommen. Die neu überarbeitete Version listet, unter anderem, alle denkbaren Sicherheitsfunktionen eines Industrierobotersystems auf. Für den vorliegenden Anwendungsfall eines kollaborierenden Robotersystems reicht aber der erste Teil. Der zweite Teil umfasst sämtliche Robotersysteme, also auch große und leistungsfähigere Industrieroboter.

Außerdem erleichtert die Prozessanalyse die nachgelagerten Planungs- und Integrationsschritte. Die Analyse sollte analoge und digitale Schnittstellen umfassen, an denen Daten oder Werkstücke übertragen werden. Je genauer bekannt ist, welche Schnittstellen im Prozess vorhanden und welche Teilsysteme beteiligt sind, desto leichter kann die anvisierte Roboterlösung integriert werden. Die anschließende Risikobewertung baut auf die vorher genannten Planungsschritte auf. Die relevanten Informationen aus den Richtlinien ermöglichen es, kombiniert mit dem Wissen aus der Prozessanalyse, ein passendes Produkt auszuwählen und hinsichtlich der Richtlinien zu bewerten. Die so identifizierten Mängel für den ausgewählten Cobot werden mit der Festlegung der Sicherheitskonfiguration beherrscht [13]. Über die Richtlinien hinausführende Informationen zum Thema Risikobewertung und Sicherheitskonfiguration werden durch die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung zur Verfügung gestellt [12].

Kann-Anforderungen des Machbarkeitsmodells

Diese Anforderungen unterstützen die Planung und Einführung eines Cobots. Sie sind im Gegensatz zu den vorher genannten Anforderungen nicht zwingend notwendig. Ihr Mehrwert erschließt sich aber augenblicklich.

• Die Sicherstellung einer kurzen Einrichtungszeit bei der Integration des Robotersystems in den bestehenden Prozess.
• Die Einbindung des Cobots in die lokale informations- und betriebstechnische Infrastruktur.
• Die Expertise in den Bereichen Robotik und Software bzw. die gezielte Schulung des technischen Personals.
• Zusätzliche Kennzeichnungen, Schilder und schriftliche Warnhinweise für den laufenden Betrieb (sofern diese nicht durch die Beschaffenheit des Cobots vorgeschrieben sind).

Eine kurze Standzeit des Prozesses ermöglicht eine reibungslose Weiterführung der Wertschöpfung und fördert die Akzeptanz innerhalb der Belegschaft durch die Verringerung von Unsicherheit während der Integrationsphase. Hier begünstigt eine gründliche Prozessanalyse eine schnellere Integration des Cobots. Sollte die Einbindung des Cobots in die informationstechnische Infrastruktur geplant sein, um z.B. den Fernzugriff in der Betriebsphase oder den Einsatz eigener Software und Skripte zu ermöglichen, gilt es dafür zusätzliche Ressourcen einzuplanen. Die Schulung des Personals sollte abgeschlossen sein. Es kann sich lohnen, eine externe Beratung für diesen Teil der Coboteinführung einzuplanen. Abschließend sollte der Arbeitsraum und die nähere Umgebung des Cobots so angepasst werden, dass ein reibungsloser Betrieb möglich ist. Anhand des ausgewählten Cobots und der Art des Einsatzes ergeben sich unterschiedliche Vorgaben. Ein berührungsempfindlicher Cobot sollte bei der Ausführung seines Teilprozesses nicht eingeschränkt sein und ein Cobot, der zur visuellen Prüfung von Bauteilen eingesetzt wird, braucht ausreichende Beleuchtung. Entsprechende Beschilderungen können die Zusammenarbeit erleichtern.

Anwendungsbereiche für Cobots

Zur Veranschaulichung der Vielfältigkeit beim Einsatz von Cobots stehen nachfolgend ausgewählte Einsatzmöglichkeiten aufgelistet.

Fertigungsindustrie
Das Einsatzgebiet von Cobots liegt aktuell haptsächlich in der Fertigung und Montage von Bauteilen. Cobots werden dafür in der Kleinserienproduktion und bei kundenspezifischen Montageaufgaben eingesetzt, wo ihre Fähigkeit, mit Menschen zusammenzuarbeiten, die Produktivität und Flexibilität erhöht [8, 5]. Es resultiert eine Reduzierung des menschlichen Arbeitsaufwands bei gleichzeitiger Verbesserung der Regeneration [3]. Beim Schweißen und der Zerspanung vereinfachen Cobots komplexe Aufgaben. Durch Funktionen, wie die eingangs erwähnte Lead-Through-Programmierung, können Cobots ohne tiefergreifende Programmierkenntnisse eingesetzt werden [1]. Aber auch die Handhabung sperriger oder schwerer Bauteile kann in sogenannten „Pick and Place“-Prozessen durch den Einsatz eines Cobots vereinfacht werden [8].

Qualitätssicherung
Für die Implementierung und Optimierung der Qualitätssicherung stellt der Einsatz von Cobots außerdem eine Chance dar. Roboter, die mit maschinellen Bildverarbeitungssystemen ausgestattet sind, werden für automatisierte Qualitätsprüfungen eingesetzt und tragen so zur Verbesserung der Genauigkeit bei. Das wirkt sich positiv auf die Effizienz des Prüfprozesses aus, weil der Arbeitsaufwand mit Methoden des Maschinellen Lernens reduziert werden kann [7].

Qualifikation
Gleichermaßen können Cobots aber auch für Schulungen eingesetzt werden, um beispielsweise den Umgang mit Low- bzw. No-Code-Plattformen (z.B. Node-RED) zu lernen und so technische Expertise im Unternehmen aufzubauen. So können involvierte Menschen einen guten Überblick über die Technik und deren Einsatz bekommen und ohne große Vorkenntnisse Programmabläufe prototypisch entwickeln und implementieren. Dies ermöglicht es, ausgelagerte Entwicklungskosten durch eigene Vorarbeiten zu reduzieren [4]. Schulungen bieten sich außerdem dafür an, dem menschlichen Widerstand gegen Veränderung konstruktiv zu begegnen [6]. Abschließend können durch die Mensch-Roboter-Kollaboration auch unterstützende Prozesse, wie beispielsweise Wertstromanalysen oder Simulationen, vereinfacht werden. Kennzahlen zum Betrieb, wie z.B. der Stromverbrauch oder Prozessdurchlaufzeiten, können leichter verfügbar gemacht und dadurch die Transparenz im Prozess erhöht werden [9]. Methoden wie der „Human-Robot-Collaboration-Design-Process“ ermöglichen es zudem, durch Analyse und Simulation schon vor der Implementierung des Cobots einen Überblick über die Auswirkungen auf den Prozess zu gewinnen. Aktuell haben kleine und mittlere Unternehmen kaum einen Zugang zu dieser Methode bzw. mangelt es an Möglichkeiten, diese einzusetzen [2].

MRK-Arbeitsplatz
Ein Beispiel für die kombinierte Anwendung der oben genannten Einsatzmöglichkeiten eines Cobots ist der Mensch-Roboter-Kollaborationsarbeitsplatz. Hierfür wird ein vorwiegend manueller Arbeitsplatz hinsichtlich der korrespondierenden Systemgrenzen untersucht und mögliche Automatisierungspotenziale erhoben. So kann ein Verpackungsprozess teilautomatisiert werden, in dem die Güter statt durch einen Werker von dem Roboter bewegt werden. Eingebaute Sicherheitsfunktionen wie die Kollisionskontrolle ermöglichen eine sichere Zusammenarbeit auch ohne tiefergreifende Kenntnisse hinsichtlich der Sicherheitskonfiguration des einzusetzenden Roboters [11]. Der MRK-Arbeitsplatz bietet damit eine Möglichkeit, Arbeitsprozesse, die menschliche Übersicht voraussetzen, an die digitalen Systeme anzubinden. Und das ohne den Anspruch, den Menschen im Prozess zu ersetzen, sondern vielmehr seine Möglichkeiten durch einen dritten Arm sinnbildlich und wortwörtlich zu erweitern. Darüber hinaus lassen sich die Arbeitsprozesse so statistisch auswerten, um Fehler- und Verbesserungspotentiale belastbar bestimmen zu können.

MRK-Arbeitsplatz aus MiniTec-Profilen mit Igus ReBeL-Cobot

Foto: © Jan Meier/BIBA

Eine mögliche Konfiguration konnte am BIBA GmbH – Bremer Institut für Produktion und Logistik aus MiniTec-Aluminium-Profilen und dem Cobot „ReBeL“ von der Firma Igus demonstriert werden. In dem simpel gehaltenen Anwendungsbeispiel wird gezeigt, wie der Cobot mit einem Sauggreifer ausgerüstet kleine Teile aufnehmen und, abhängig von der Position des Behälters, diese präzise positioniert. Die Steuerung erfolgt niedrigschwellig über NodeRED oder eine Python-Schnittstelle für komplexere Skripte. Durch die vielfältigen Anschlussmöglichkeiten des Roboters ist der Arbeitsplatz auch nachträglich erweiterbar. Zusätzliche Kameras zur Qualitätssicherung lassen sich problemlos nachrüsten. Für die Steuerung des Roboters mittels Spracherkennung kann ein einfaches Mikrofon verwendet werden. Eine prototypische Implementierung ist mit Open-Source-Software möglich, im abgebildeten Anwendungsfall wurde vosk verwendet [17]. 

Dem geringen finanziellen Aufwand für den „ReBel“ und die Open-Source-SPS steht die erhöhte Komplexität bei der Einrichtung gegenüber. Im Vergleich zu anwendungsfreundlicheren und kostspieligeren Varianten ist hier die Lernkurve steiler und länger. Außerdem kann die Verwendung von Open-Source-Bibliotheken ein Sicherheitsrisiko darstellen. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung des Paketmanagers „pip“ [18]. Bei unsachgemäßer Verwendung kann durch ein fehlendes, tieferes Verständnis der Programmiersprache oder fehlende Erfahrung ein Sicherheitsrisiko entstehen. Wenn beispielsweise private Verzeichnisse in Kombination mit öffentlichen Verzeichnissen verwendet wurden, konnte es ausreichen, die falsche Version bei einem Update zu beziehen, um das eigene System zu kompromittieren. Mit etwas Fachwissen oder externer Beratung ist es möglich, solche Risiken zu vermeiden. Wie hoch das Risiko im Verhältnis zum Nutzen ist und ob sich der Einsatz von Open Source trotzdem lohnt, sollte individuell bestimmt werden. Beispielsweise durch eine Investitionsrechnung.

Vereinfachte Investitionsrechnung

Die Anschaffung eines Cobots sollte wirtschaftlich begründet sein. Dabei müssen die folgenden Fragen berücksichtig werden. Welche Kosten sind zu erwarten? Was für Erträge ergeben sich aus der Investition? Wann rechnet sich der Cobot-Einsatz für das Unternehmen [15]? Und was ist zu tun, wenn die Werte zur Berechnung unklar sind? Zur Beantwortung der Fragen eignen sich die Bestimmung des internen Zinsfußes (IZF) in Bezug auf die Rentabilität und der abgezinsten Amortisationszeit (Discounted Payback Period: DPP) in Bezug auf die Refinanzierung des Investitionsguts. Zur Vereinfachung der Anwendung werden in diesem Kapitel Methoden vorgestellt, wie die Berechnung einfach und aussagekräftig durchgeführt werden kann. Durch die Bestimmung der Kennzahlen können Investitionsalternativen relativ belastbar miteinander verglichen werden [16].

Interner Zinsfuß

Die Berechnung des IZF – auch Interne Rendite genannt – läuft bei Cobots genauso ab wie bei anderen Investition. Das Ziel ist es, den Zinssatz zu finden, bei dem der Kapitalwert der Investition null ist. Dafür werden die Anschaffungskosten als Grundlage für die Berechnung verwendet. Die jährlichen Einsparungen ergeben sich aus der Ersparnis bei Personalkosten, der Erhöhung der Produktionskapazität und geringeren Fehlerkosten, beispielsweise durch die Reduzierung von Ausschuss. Auch in der Lagerhaltung können sich Einsparungen aus dem Einsatz von Cobots ergeben [15]. Die Berechnung erfolgt in der Regel über eine Tabellenkalkulationssoftware oder einem frei verfügbaren Rechner im Internet. Eine der Herausforderung bei der Erhebung des IZF ist es, die jährlichen Einsparungen klar zu beziffern. Daher gibt es Näherungen, die der herkömmlichen Methode nahekommen und deren Einsatz erleichtern. Es bleibt die Herausforderungen bei Näherungen, diese über die zu vergleichenden Güter konsistent zu halten. Kleinere Abweichungen in der Erhebung können zu einem verzerrten Ergebnis führen, das den Vergleich eher erschwert als vereinfacht.

Amortisationszeit
Wenn die jährlichen Einsparungen nur vage bekannt sind, kann die Amortisationszeit bestimmt werden. Die Amortisationszeit ergibt sich aus dem Verhältnis von Investitionskosten zu jährlichen Einsparungen. Es gilt: Je kürzer die Amortisationszeit, desto attraktiver ist die Investition. Auf die Berechnung eines Zinssatzes kann dabei verzichtet werden. Eine genauere Erklärung der Amortisationszeit folgt im nächsten Abschnitt.

Linear-angenäherter-IZF
Wenn die Amortisationsdauer grob bekannt ist, kann der IZF näherungsweise geschätzt werden. Die Faustformel setzt das Wissen um die geschätzte Nutzungsdauer und die Amortisationszeit voraus. Die Werte werden in eine Formel eingefügt und die Ergebnisse unterschiedlicher Cobots miteinander verglichen. Mit einer Software wie beispielsweise Excel reicht es, die Funktionsformeln XINTZINSFUSS und IKV zu kennen. 

Szenario-Analyse mit Minimal- und Maximalwerten
Wenn die Rückflüsse oder die Nutzungsdauer unsicher oder unbekannt sind, kann eine Szenario-Analyse durchgeführt werden. Dafür werden pessimistische, optimistische und realistische Szenarien festgelegt, definiert durch unterschiedliche jährliche Rückflüsse, Nutzungsdauern und den daraus resultierenden Kapitalwerten. Ein optimistisches Szenario zeichnet sich beispielsweise durch hohe jährliche Rückflüsse und eine lange Nutzungsdauer aus. Die Werte für die Szenarien können geschätzt werden. Es gilt: je genauer die Werte, desto realistischer die jeweiligen Szenarien und desto besser das resultierende Vergleichsergebnis. Aber auch mit Näherungswerten bildet diese Methode eine Tendenz hinsichtlich eines Produktes ab, die dann mit anderen Methoden verfeinert werden kann.

Entscheidungsregeln
Am Ende besteht die Möglichkeit, Regeln anzuwenden, die bei nicht oder ungenau vorliegenden Werten eine Entscheidung unterstützen können. Für eine Investition spricht eine kurze Amortisationszeit von weniger als vier Jahren. Oder wenn die Lebensdauer des Produkts länger als die Amortisationszeit ist und der Cobot kostenintensive oder monotone Tätigkeiten durchführt. Dagegen sprechen unklare oder geringe Einsparungen und eine geringe Auslastung des Cobots. Aber auch unverhältnismäßig hohe Schulungskosten oder ein hoher Anpassungsaufwand im Prozess sprechen gegen einen Cobot-Einsatz im Unternehmen.

Abgezinste Amortisationszeit
Die abgezinste Amortisationszeit bildet ab, nach wie vielen Jahren sich eine Investition durch die abgezinsten Rückflüsse amortisiert hat. Die DPP kann hilfreich sein, weil der Zeitwert des Geldes berücksichtigt wird. Zur Berechnung werden die Gesamtkosten der Investition benötigt. Diese umfassen die Anschaffungs-, Schulungs- und Implementierungskosten. Die Gesamtkosten werden mit den angenommenen jährlichen Rückflüssen verrechnet und über die angestrebte Investitionsdauer abgezinst. Der Zinssatz ergibt sich aus den Kapitalkosten oder der Unternehmensrichtlinie. Die Dauer, bis die aufsummierten Barwerte die Gesamtkosten der Investition übersteigen oder gleich sind, ist die abgezinste Amortisationszeit. Durch die Bestimmung der abgezinsten Amortisationszeit ist bekannt, wann das eingesetzte Kapital wieder zur Verfügung steht. Eine längere Amortisationszeit ist mit einem höheren finanziellen Risiko verbunden. Für den Fall, dass keine genauen Rückflüsse bekannt sind, können Schätzwerte auf Basis der eingesparten Arbeitsstunden, erhöhten Produktionsmengen und vermiedenen Stillstandzeiten angenommen werden.Für den Fall, dass kein exakter Zinssatz verfügbar ist, gibt es bei der DPP drei Möglichkeiten.

Die erste nimmt einen Zinssatz von null Prozent an und führt zur klassischen Amortisationszeit, wie oben beschrieben. Bei der zweiten Möglichkeit wird pauschal ein Zinssatz von fünf bis zehn Prozent angenommen. Bei der dritten Möglichkeit, eine Form der Sensitivitätsanalyse, wird die DPP für unterschiedliche Zinssätze berechnet. So kann abgeschätzt werden, ob es sich beispielsweise lohnt,  Durch die Bestimmung der abgezinsten Amortisationszeit ist bekannt, wann das eingesetzte Kapital wieder zur Verfügung steht. Eine längere Amortisationszeit ist mit einem höheren finanziellen Risiko verbunden. Für den Fall, dass keine genauen Rückflüsse bekannt sind, können Schätzwerte auf Basis der eingesparten Arbeitsstunden, erhöhten Produktionsmengen und vermiedenen Stillstandzeiten angenommen werden. Für den Fall, dass kein exakter Zinssatz verfügbar ist, gibt es bei der DPP drei Möglichkeiten. Die erste nimmt einen Zinssatz von null Prozent an und führt zur klassischen Amortisationszeit, wie oben beschrieben. Bei der zweiten Möglichkeit wird pauschal ein Zinssatz von fünf bis zehn Prozent angenommen. Bei der dritten Möglichkeit, eine Form der Sensitivitätsanalyse, wird die DPP für unterschiedliche Zinssätze berechnet. So kann abgeschätzt werden, ob es sich beispielsweise lohnt, Fremdkapital einzusetzen. Für eine einfache Berechnung reicht eine Tabellenkalkulationssoftware, zum Beispiel Excel.

Diskussion der Ergebnisse

Durch die Ergebnisse der Studie wird eine Lücke in der Forschung geschlossen: die Autoren stellen ein Modell vor, das sowohl technische als auch wirtschaftliche Anforderungen bei der Cobot-Einführung berücksichtigt und somit einen praktischen Nutzen bietet. Das Modell kann durch seinen allgemeinen Charakter auf verschiedene industrielle Bereiche übertragen werden und bietet damit einen Ansatz für die Planung und Anbahnung von Automatisierungsprojekten [10, S. 14]. Dabei werden technische und wirtschaftliche Aspekte gleichermaßen berücksichtigt. Allerdings wurde das Modell bisher nur in Fertigungsbetrieben getestet [10, S. 15]. Zur Reduzierung der Komplexität bei dem Vergleich unterschiedlicher Cobots nach finanzwirtschaftlichen Kriterien, wurde ein Vorschlag zur Berechnung alternativer Näherungen gemacht. Dadurch können aber potentiell wichtige Faktoren fehlen [10, S. 11], wie beispielsweise ein informierter Vergleich der laufenden Kosten. Für Investitionsgüter mit einer längeren Laufzeit ist es zudem unrealistisch, einen fixen Zinssatz über die gesamte Laufzeit anzunehmen. Dementsprechend kritisch ist auch der Einsatz der IZF-Methode als Vergleichswerkzeug für solche Investitionsgüter zu sehen. Die Gegenüberstellung der Investitionsalternativen ist aber trotzdem möglich. Eine grundlegende Voraussetzung für den Vergleich anhand der vereinfachten Kennzahlen ist deren methodisch-identische Erhebung für die Alternativen. Wichtig für die Interpretation der Kennzahlen ist deren korrekte Einordnung. Es gilt, das Ergebnis als Orientierung zu verwenden, nicht als exakte Wissenschaft.

Fazit

Das Angebot, um den diskutierten Herausforderungen zu begegnen, ist groß. Die Zusammensetzung der Gesamtkosten ist komplex und die zu erwartenden Erträge sind selten transparent. Insbesondere die belastbare Bestimmung der Schulungskosten und der jährlichen Rückflüsse stellen kleine und mittlere Unternehmen vor Herausforderungen, weil verlässliche Vergleichswerte fehlen. Der Schulungsbedarf ist zudem individuell und von Cobot zu Cobot, Prozess zu Prozess und Mensch zu Mensch unterschiedlich, was die Übersichtlichkeit bei der Planung zusätzlich einschränkt – und die Komplexität erhöht. Letztlich unterstützt die Bewältigung der genannten Herausforderungen aber eine nachhaltige Wertschöpfung. Durch die Steigerung der unternehmensinternen Expertise hinsichtlich technisch-komplexer Digitalisierungslösungen, wie Cobots, können technische Veränderungen einfacher umgesetzt werden. Durch eine transparente Planung, explizit hinsichtlich der zu erwartenden Kosten, können die anfangs unübersichtlichen Gesamtkosten mit zukünftigen Erträgen in Verbindung gebracht und so Vorbehalte auf allen Unternehmensebenen abgebaut werden [14]. Open Source-Lösungen wie im genannten MRK-Arbeitsplatz-Beispiel stellen eine Alternative zu teuren Systemen bekannter Hersteller. Gerade für kleine und mittlere Unternehmen bietet die Einführung von Cobots die Chance, das Unternehmen in kleinen Schritten wettbewerbsfähiger und technologisch nachhaltiger zu gestalten.

Quellenverzeichnis

Literaturquellen

[1] Canfield S. L., Owens, J. S. & Zuccaro S. G., 2021. Zero Moment Control for Lead-Through Teach Programming and Process Monitoring of a Collaborative Welding Robot, ASME. J. Mechanisms Robotics. Juni, 13(3), 031016, https://doi.org/10.1115/1.4050102.

[2] Cencen A., Verlinden J. C. & Geraedts J. M. P., 2018. Design Methodology to Improve Human-Robot Coproduction in Small- and Medium-Sized Enterprises, in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 23(3): S. 1092-1102, Juni, DOI:10.1109/TMECH.2018.2839357.

[3] Cherubini A., Navarro B., Passama R., Tarbouriech S., Elprama S. A., 2023. Interdisciplinary evaluation of a robot physically collaborating with workers, PLOS ONE 18(10), e0291410, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0291410.

[4] Dmytriyev Y., Carnevale M., Giberti H. & Todeschini G., 2022. On cobot programming in industrial tasks: a test case, International Congress on Human-Computer Interaction, Optimization and Robotic Applications (HORA), Ankara, Turkey, S. 1-9, DOI:10.1109/HORA55278.2022.9800018.

[5] Emiliani F., Bajrami A., Costa D., Palmieri G., Polucci D., Leoni C. & Callegari M., 2024. Design and Prototyping of a Collaborative Station for Machine Parts Assembly, Machines, 12(8): S. 572, https://doi.org/10.3390/machines12080572.

[6] Lambrechts W, Klaver JS, Koudijzer L, Semeijn J., 2021. Human Factors Influencing the Implementation of Cobots in High Volume Distribution Centres. Logistics, 5(2): S. 32. https://doi.org/10.3390/logistics5020032.

[7] Moor M., Riives J., Otto T., & Vañó J. M., 2024. Methodology for Reconfigurable Cobot-Based Quality Control System for SME Production, International Journal of Engineering and Technology, 16(2): S. 113-119, DOI:10.7763/IJET.2024.V16.1265.

[8] S. Pieskä, J. Kaarela & J. Mäkelä, 2018. Simulation and programming experiences of collaborative robots for small-scale manufacturing, 2nd International Symposium on Small-scale Intelligent Manufacturing Systems (SIMS), Cavan, Irland, S. 1-4, DOI:10.1109/SIMS.2018.8355303.

[9] Pizoń J., Cioch M., Kański Ł., Sánchez García E., 2022. Cobots Implementation in the Era of Industry 5.0 Using Modern Business and Management Solutions, Advances in Science and Technology Research Journal, 16(6), S. 166-178, DOI:10.12913/22998624/156222.

 [10] Vido M., Digiesi S., Facchini F. and Lucato W.C., 2024. Collaborative robots in small and medium-sized enterprises: a field-based feasibility model, Int. J. Manufacturing Technology and Management, 38(3): S. 265-282, https://doi.org/10.1504/IJMTM.2024.138341.

Internetquellen

[11] Weber M.-A., Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK), 2017. Betriebspraxis & Arbeitsforschung (230), https://www.arbeitswissenschaft.net/fileadmin/Downloads/Angebote_und_Produkte/Publikationen/ifaa_BA_230_Mensch-Roboter-Kollaboration.pdf; Zugegriffen 16.12.2025.

[12] Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung, Kollaborierende Robotersysteme, 2017. DGUV-Information, 08/2017, https://www.dguv.de/medien/fb-holzundmetall/publikationen-dokumente/infoblaetter/infobl_deutsch/080_roboter.pdf; Zugegriffen am: 16.12.2025.

[13] TÜV Thüringen Akademie GmbH, Kollege Roboter – Arbeitssicherheit in der Mensch-Roboter-Kollaboration, 25.05.2025. https://die-tuev-akademie.de/blog/arbeitssicherheit-in-der-mensch-roboter-kollaboration; Zugegriffen am: 18.12.2025.

[14] Gemeinsame Arbeitsstelle Ruhr-Universität Bochum/IG Metall, Leitfaden zur Einführung von Mensch-Roboter-Kollaboration: Perspektiven der betrieblichen Interessenvertretung, https://www.rubigm.ruhr-uni-bochum.de/rubigm/mam/content/publications/scipub/mrk_leitfaden.pdf; Zugegriffen am: 18.12.2025.

[15] Walter, S., Lohnt sich ein Cobot? 5 Faktoren, die Klarheit für Ihre Investition bringen, 15.05.2023. https://www.universal-robots.com/de/blog/wann-lohnt-sich-investition-in-cobot/; Zugegriffen am: 18.12.2025.

[16] Reinhart G., Flores A. M. & Zwicker C., Industrieroboter: Planung – Integration – Trends, Ein Leitfaden für KMU. 2018., https://www.konstruktionspraxis.vogel.de/ab-wann-sich-die-anschaffung-eines-robotersystems-lohnt-a-771839/; Zugegriffen am: 18.12.2025.

[17] VOSK Offline Speech Recognition API. VOSK Offline Speech Recognition API. https://alphacephei.com/vosk/; Zugegriffen am: 17.12.2025.

[18] Red Hat, Inc., CVE-2021-3572, 2021; Common Vulnerabilities and Exposures (CVE), https://www.cve.org/CVERecord?id=CVE-2021-3572; Zugegriffen am 18.12.2025.