Inhaltsverzeichnis
1. Was versteht man unter Robotik?
2. Was ist ein Roboter?
3. Woher kommt der Begriff Roboter?
4. Die Geschichte der Industrie-Robotik
5. Warum wird Robotik in der Industrie genutzt?
6. Vom Industrieroboter zum Robotik-System
7. Robotik in der Anwendung: Wofür können Roboter eingesetzt werden?
8. Wie groß ist der Robotik-Markt?
9. Verbände und Messen
10. Was sind Serviceroboter?
11. Sind kollaborative Roboter auch Serviceroboter?
12. Was ist mobile Robotik?
13. Wofür wird Robotik in der Landwirtschaft eingesetzt?
14. Reinigungs- und Desinfektionsroboter
15. Was ist Medizin-Robotik?
16. Was sind Assistenzroboter?
17. Was zählt zur Haushalts-Robotik?
18. Humanoide Roboter: der Mensch als Vorbild
19. Was machen Nanoroboter?
20. Sind Softwareroboter oder Bots echte Roboter?
Was ist Robotik?
Die Robotik beschäftigt sich mit Entwurf, Gestaltung, Steuerung und Anwendung von Robotersystemen (etwa Industrierobotern oder Servicerobotern). Man könnte also verkürzt sagen: „Robotik sind Roboter in der Anwendung.“ Ein wichtiges Kennzeichen der Robotik ist dabei die Interaktion des Robotersystems mit der physischen Welt – dafür nutzt der Roboter seine Aktoren und Sensoren und wird dabei von der Robotersteuerung gesteuert. Daher spielen sowohl die Mechanik und Kinematik des Robotik-Systems als auch die elektronische Steuerung und Regelung eine wesentliche Rolle in der Robotik.
Wissenschaftlich ist die Robotik nicht trennscharf umrissen. Letztlich ist die Robotik ein Teilbereich der Ingenieur- und Naturwissenschaften mit starkem Einfluss von Maschinenbau, Elektrotechnik sowie Mathematik sowie Informatik. Aber auch Werkstoffkunde, Neuro- und Kognitionswissenschaften sowie Psychologie und Biologie spielen in der Robotikforschung eine Rolle.
Was ist eigentlich ein Roboter?
Während der Begriff Robotik also etwas unscharf definiert ist, gibt es für den Begriff Roboter oder Industrieroboter sogar konkrete Richtlinien und Normen:
- Nach der europäischen Norm EN 775 ist ein Roboter ein „automatisch gesteuertes, wiederprogrammierbares, vielfach einsetzbares Handhabungsgerät mit mehreren Freiheitsgraden, das entweder ortsfest oder beweglich in automatisierten Fertigungssystemen eingesetzt wird“.
- Laut VDI-Richtlinie 2860 sind Industrieroboter „universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkel frei (d.h. ohne mechanischen Eingriff) programmierbar und zuweilen sensorgeführt sind. Industrieroboter sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen“.
- Der Weltrobotik-Verband, die International Federation of Robotics (IFR), definiert den Begriff Industrieroboter analog zur internationalen Standardisierungsorganisation ISO als „automatisch gesteuerter, umprogrammierbarer Mehrzweckmanipulator, der in drei oder mehr Achsen programmierbar ist“, der entweder ortsfest oder mobil in der industriellen Automation eingesetzt werden kann. (ISO 8373)
Woher kommen die Begriffe Robotik und Roboter?
Der Begriff Roboter hat seine Wurzeln in Science-Fiction-Erzählungen. Erstmals taucht der Begriff Roboter 1921 im Theaterstück „Rossum’s Universal Robots“ (R.U.R) von Karel Capek auf. In dem satirischen Drama beschreibt Capek menschenähnliche Maschinen, die doppelt so viel arbeiten wie richtige Menschen. Diese Maschinen nannte er Roboter – nach dem slawischen Wort robota, das so viel wie Arbeit (Polnisch) oder Fronarbeit (Tschechisch) bedeutet. Isaac Asimov, einer der bekanntesten Science-Fiction-Schriftsteller, schrieb gleich mehrere Robotik-Erzählungen. Asimov war es auch der die bekannten Robotik-Gesetze formulierte, deren oberstes Gesetz besagt, dass ein Roboter dem Menschen kein Schaden zufügen darf.
Die Geschichte der Industrie-Robotik
Als Geburtsstunde der modernen Industrie-Robotik gilt das Jahr 1954. Damals meldet George Devol in den USA ein Patent für einen „programmierbaren Manipulator“ an. Zusammen mit Joseph Engelberger entwickelt George Devol den ersten marktreifen Industrieroboter Unimate.
- 1959 installiert General Motor den ersten Prototyp des Unimate.
- 1961 wird der Unimate-Roboter erstmals in eine Fertigungsstraße bei General Motors eingesetzt. Der weltweit erste praxistaugliche Industrieroboter kommt dabei im GM-Werk Ternstedt zum Einsatz, wo Tür- und Fenstergriffe, Schaltknäufe und andere Teile für die Innenausstattung hergestellt werden. Der 4000 Pfund schwere Arm des Unimate-Roboters gehorchte den auf einer Magnettrommel gespeicherten Schritt-für-Schritt-Befehlen und stapelte heiße Metalldruckgussteile aufeinander. Die Herstellung des Roboters kostete damals stolze 65.000 US-Dollar.
- Ab 1966 können die Unimate-Roboter auch lackieren und punktschweißen.
- 1969 installiert GM daher die ersten Punktschweißroboter in seinem Montagewerk in Lordstown. Die Unimation-Roboter ermöglichen die Automatisierung von mehr als 90 Prozent der Schweißarbeiten an der Karosserie.
- Bereits 1967 kommt die Industrie-Robotik nach Europa. Der erste Industrieroboter in Europa, ebenfalls ein Unimate, wird bei Metallverken, Uppsland Väsby, Schweden, installiert.
- Die erste Robotik-basierte Schweißlinie Europas mit hydraulisch betätigten Robotern baut Kuka 1971 bei Daimler Benz in Sindelfingen auf.
In der Folge treten Industrieroboter vor allem in den Automobilwerken ihren Siegeszug an – insbesondere im Rohbau, wo heute ganze Straßen von Industrierobotern Karosserien schweißen oder auch lackieren.
Warum wird Robotik in der Industrie genutzt?
Heute ist die Robotik ist ein wichtiges Element bei der flexiblen Automation von Fertigungsprozessen in der Industrie – und das längst nicht mehr nur in den hochautomatisierten Robotiklinien in der Automobilindustrie. Auch bei Automobilzulieferern oder in der Elektro- und Elektronik-Branche sowie in der Metall- und Kunststoffindustrie oder in der Food-, Pharma- und Biotech-Branche spielt Robotik eine wichtige Rolle. Die Robotik gilt als Pfeiler der Industrie 4.0. Denn Robotiklösungen sind aufgrund ihrer Flexibilität und Intelligenz besonders gut geeignet, um einer Fertigung auch bei kleinen Losgrößen und großer Variantenvielfalt zu automatisieren.
Vom Industrieroboter zum Robotik-System
Ein Robotiksystem in der Industrie besteht aus dem Manipulator (also dem eigentlichen Roboterarm), dem Endeffektor (Werkzeug, Greifer) und der Robotersteuerung sowie meist auch Sensoren oder Kameras und weiterem Zubehör wie Sicherheitsvorrichtungen. Einmal programmiert ist das Robotersystem in der Lage, einen Arbeitsablauf autonom durchzuführen oder die Ausführung der Aufgabe abhängig von Sensorinformationen zu variieren.
Robotik in der Industrie lässt sich nach ihrer Kinematik unterscheiden in
- Knickarmroboter (i. d. R. sechs Achsen),
- Scara-Roboter (vier Achsen),
- Portalroboter (meist drei Achsen) und
- Palettierroboter (meist Knickarm-Roboter mit vier Achsen) sowie
- Parallel-Kinematiken wie Delta-Roboter.
Neben klassischen Industrierobotern gibt es auch kollaborierende Roboter (Cobots), die auch als Leichtbauroboter bezeichnet werden. Kennzeichen der Cobots: sie sind relativ sicher in der direkten Zusammenarbeit mit dem Menschen (Mensch-Roboter-Kollaboration, MRK) und zudem leicht zu bedienen.
Robotik in der Anwendung: Wofür können Roboter eingesetzt werden?
Die Einsatzmöglichkeiten für Robotik in der Industrie sind sehr vielfältig. Entsprechend werden Industrieroboter in den unterschiedlichsten Branchen und Applikationen eingesetzt. Typische Anwendungsbereiche sind:
- Handling: Die Handhabung von Teilen ist ein breites Anwendungsfeld für die Robotik, letztlich geht es ganz dabei darum, Teile via Roboter von A nach B zu bewegen.
- Pick&Place: Der Roboter nimmt ein Teil auf (Pick) und platziert es (Place) woanders, zum Beispiel ein Bauteil auf einer Platine.
- Maschinenbeladung zählt ebenfalls zum Handling: Der Roboter belädt eine Bearbeitungsmaschine mit Rohteilen und entnimmt anschließend die fertigen Teile.
- Verpacken: Roboter nehmen Pralinen, Kekse oder Würstchen von einem Förderband und legen sie in die Verpackung. Oder sie verpacken fertige Produkte in Kartons.
- Palettieren: Der Roboter nimmt (etwa am Ende einer Produktionslinie) fertig gepackte Kartons oder Säcke auf und stapelt diese nach einem bestimmten Muster auf Paletten.
- Punktschweißen: Mit einer Schweißzangen verbindet der Roboter zwei aufeinander gepresste Werkstücke durch punktuelle Erhitzung.
- Bahnschweißen: Beim Bahnschweißen fügt der Roboter zwei Teile mit einer kontinuierlich verlaufenden Schweißnaht zusammen.
- Lackieren: Roboter tragen gleichmäßig Lack auf zum Beispiel auf einer Autokarosserie.
- Montage: Der Roboter steckt zwei Teile zusammen.
- Kleben/Dichten: Der Roboter bringt auf einer Bahn Klebstoff oder Dichtmasse auf um Teile zu verbinden oder abzudichten.
- Verbinden: Der Roboter verbindet Teile miteinander – etwa durch Schrauben oder durch Nieten oder Stanzen oder durch Verpressen.
- Messen/Prüfen: Der Roboter vermisst die Maße von Bauteilen, in dem er beispielsweise einen optischen Messsensor am Bauteil entlang führt. Oder der Roboter prüft mit Bildverarbeitung Anwesenheit, Form Oberfläche und andere Qualitätsmerkmale. Oder der Roboter legt das Bauteil in eine Messmaschine ein.
- Reinigen: Der Roboter reinigt Bauteile mit Druckluft oder Wasser.
- Kennzeichnen: der Roboter bringt (etwa mit einem Laser) eine Beschriftung oder ein Etikett auf.
- Bearbeiten: der Roboter übernimmt mit speziellen Werkzeugen das Entgraten, Schleifen, Fräsen, Bohren oder Schneiden.
Wie groß ist der Robotik-Markt?
Heute arbeiten laut International Federation of Robotics über 3 Millionen Industrieroboter in den Fabriken weltweit, Tendenz steigend. Haupteinsatzgebiete für Roboter sind nach wie vor Handling, Schweißen und Montage. Weltweit größter Markt für die Robotik ist China, gefolgt von Japan, USA, Korea und Deutschland. Die Länder mit der höchsten Roboterdichte sind Korea und Singapur gefolgt von Japan und Deutschland: 2022 stieg die Roboterdichte im verarbeitenden Gewerbe in Deutschland auf 415 installierte Industrie-Roboter pro 10.000 Arbeitnehmer. Damit rangiert die deutsche Wirtschaft hinter Südkorea (1.012 Roboter) und Singapur (730 Roboter) weltweit auf Platz drei in Sachen Roboterdichte.
Verbände und Messen für die Robotik
Die Robotik-Hersteller sind in Deutschland im VDMA Fachverband Robotik und Automation organisiert, der aus den Fachabteilungen Robotik, industrielle Bildverarbeitung und Integrated Assembly Solutions besteht. Der VDMA Robotik ist quasi der deutsche Ableger der globalen International Federation of Robotics (IFR).
Die größte internationale Robotik-Messe (neben der Irex in Tokio) ist die Automatica in München, die alle zwei Jahre im Juni stattfindet. Der VDMA Fachverband Robotik und Automation ist ideell-fachlicher Träger der Automatica.
Daneben sind Robotik-Anbieter in Deutschland auch auf der Stuttgarter Messe Motek (Internationale Fachmesse für Produktions- und Montageautomatisierung, Oktober) und auf der Hannover Messe (April) vertreten. Zudem findet man Robotik-Anwendungen auf Branchenmessen wie Kunststoff (Fakuma), Metall (AMB, Metav, EMO sowie Blechexpo, Euroblech) oder Verpackung (Fachpack, Interpack).
Robotik jenseits der Industrie: Was ist ein Serviceroboter?
Laut dem Weltroboterverband IFR und der Internationalen Organisation für Normung (ISO) ist ein „Serviceroboter“ ein „Roboter, der nützliche Aufgaben für Menschen oder Anlagen ausführt, ausgenommen industrielle Automatisierungsanwendungen“ (ISO 8373). Kurzum: „Serviceroboter sind alle Roboter, die nicht direkt an industriellen Fertigungsprozessen beteiligt sind.“
„Serviceroboter sind alle Roboter, die nicht direkt an industriellen Fertigungsprozessen beteiligt sind.“
Serviceroboter unterscheidet die IFR nach persönlicher oder professioneller Nutzung. Zu den professionellen Serviceroboter gehören beispielweise Logistikroboter/mobile Transportroboter sowie die Medizin-Robotik und die Landwirtschafts-Robotik. Bei den Serviceroboter für den persönlichen Gebrauch erzielen Haushaltsroboter die größten Verkaufszahlen (etwa Staubsauger- und Putzroboter, Rasenmäher- und Unterhaltungsroboter=. Ein ebenfalls wachsender Markt sind Assistenzroboter für ältere oder behinderte Menschen.
Sind kollaborative Roboter auch Serviceroboter?
Nein, nicht unbedingt. Ein kollaborativer Roboter oder Cobot, der zum Beispiel Teile in eine Maschine einlegt oder Montageaufgaben übernimmt, gehört laut IFR-Definition zu den Industrierobotern, da er konkret an Fertigungsprozessen mitarbeitet. Folgerichtig zählt die IFR Cobots in ihrer Industrieroboter-Statistik. Dagegen ist ein Cobot, der in einer Roboter-Bar Getränke ausgibt, ein Serviceroboter.
Aber natürlich verschwimmen die Grenzen. So zählt ein mobiler Transportroboter, der etwa Lager und Produktion miteinander verbindet, als Serviceroboter, weil er der Hol- und Bringdienste verrichtet. Ist aber auf dem mobilen Transportroboter ein Cobot installiert, der während der Fahrt einfache Montage, Prüfungs- und Beschriftungsaufgaben vornimmt, wird das Ganze – zumindest teilweise – zu einem Industrieroboter-System.
Was ist mobile Robotik?
Als mobile Robotik werden unterschiedliche Begriffe und Systeme zusammengefasst, beispielsweise Transportroboter, Logistikroboter, autonome mobile Roboter (AMR) sowie – eher traditionell – Automated Guided Vehicle (AGV) und Fahrerloses Transportsystem (FTS). Mobile Roboter können selbstfahrende mobile Plattformen sein, eine mobile Basis mit einem darauf montiertem Roboterarm oder eine maßgeschneiderte mobile Anwendung.
- Im industriellen Umfeld werden mobile Roboter eingesetzt, um Werkstücke in der Fabrik zu transportieren, Lager und Produktion zu verbinden oder Maschinen zu verketten. Oder die mobilen Robotik-Plattformen ersetzen in einer Matrix-Produktion klassische Förderstrecken und Fließbänder und sorgen so für super-flexible Fabrikkonzepte.
- Auch E-Commerce und Versandlogistik sind ein boomender Markt für die mobile Robotik, wo die selbstfahrenden Roboter für den Transport von Waren im Lager eingesetzt werden und etwa Waren aus dem Lager zur Kommissionierung bringen. Es gibt auch eine Reihe von Start-ups im Bereich der Zustellung von Paketen auf der letzten Meile bis zur Haustür des Empfängers.
- Im Gesundheitswesen werden mobile Roboter für den Transport von Wäsche, Materialien und Medikamenten in Krankenhäusern und Pflegeeinrichtungen eingesetzt, aber auch für die Reinigung und Desinfektion sowie für die Ausgabe von Medikamenten.
- Mobile Robotik-Systeme werden außerdem eingesetzt in öffentlichen Bereichen wie Flughäfen, Hotels und Einkaufszentren – etwa als Informationsroboter, im Hotel-Zimmerservice, bei Reinigung und Desinfektion sowie zur Sicherheit/Überwachung, indem sie beispielsweise in städtischen Parks patrouillieren.
Wofür wird Robotik in der Landwirtschaft eingesetzt?
Die Landwirtschaft ist ein vielseitiges Einsatzfeld für Serviceroboter. Der Robotik-Einsatz reicht von Melkrobotern über Pflanzroboter und Unkrautvernichtungs-Roboter bis hin zu Ernterobotern, etwa für Gurken.
Reinigungs- und Desinfektionsroboter
Gerade in der Corona-Pandemie haben professionelle Reinigungs- und Desinfektionsroboter einen großen Boom erlebt. Deren Verkaufszahlen haben sich von 18.000 auf 34.000 Stück in 2020 nahezu verdoppelt. Ein gutes Beispiel dafür sind die autonomen UVD-Desinfektionsroboter von Blue Ocean Robotics, die in Flughäfen, Hotels und Eisenbahnen eingesetzt werden. Der mobile, autonome UVD-Desinfektionsroboter integriert UVC-Licht und eine große Anzahl von auf Desinfektion spezialisierten Anwendungen, um nicht nur Oberflächen, sondern auch die Luft gegen Viren und Bakterien zu desinfizieren. Letztlich sind diese Desinfektionsroboter eine Art autonome mobile Roboter (AMR) mit einem speziellen Anwendungsaufbau.
Was ist Medizin-Robotik?
Medizinroboter werden beispielsweise im Operationssaal eingesetzt. Meistens ersetzen sie den Chirurg aber nicht, sondern werden als präzise Helfer bei minimalinvasiven Eingriffen eingesetzt. Statt selbst zu operieren steuert der Chirurg einen Roboter über eine Konsole mit Hilfe eines Joysticks und Fußpedalen.
Ein bekanntes Beispiel ist der OP-Roboter Da-Vinci, mit dem minimalinvasive urologische und gynäkologische Operationen durchgeführt werden. Es gibt aber auch kameragesteuerte Haartransplantations-Roboter, die teilweise autonom arbeiten. Die Entnahme der Spenderhaare am Hinterkopf wird dabei von einem speziellen Roboter durchgeführt. Dieser scannt die vorhandenen Haare und stanzt die geeigneten Haarfollikel aus. Diese werden anschließend von Hand an die von Haarausfall betroffene Stelle verpflanzt.
Was sind Assistenzroboter?
Assistenzroboter können im öffentlichen Raum aber auch im Haushalt oder in der Pflege zum Einsatz kommen. Ein Beispiel ist der Roboter Paul, der bei Saturn Mediamarkt eingesetzt wurde. Paul ist ein autonom fahrender Assistenzroboter, der vom Fraunhofer IPA speziell für den Einsatz im Handel entwickelt wurde. Im Elektronikmarkt begrüßt er die Kunden, beantwortet Fragen und weist den Weg zum gewünschten Produkt.
Im Haushalt oder in der Pflege können Assistenzroboter das Personal in Altenpflegeeinrichtungen und Krankenhäusern entlasten oder aber ältere und pflegebedürftige Personen im Alltag unterstützen. Sie können Senioren unterhalten, sie können aber auch Hol- und Bringdienste übernehmen oder beispielweise demente Menschen daran erinnern, genug zu trinken. Echte pflegerische Tätigkeiten am Menschen können die Roboter aber (noch) nicht übernehmen.
Zu den Assistenzroboter können auch Telepräsenz-Roboter gezählt werden, die etwa in der Corona-Pandemie verstärkt genutzt wurden. Statt physisch präsent zu sein, steuert man aus der Ferne eine mobile Plattform mit einer Kamera und einem Tablet-Display.
Was zählt zur Haushalts-Robotik?
Im Haushalt kann die Robotik lästige alltägliche Aufgaben übernehmen, vor allem Rasenmähen oder Staubsaugen. Zu den Haushaltsrobotern gehört aber auch Amazons Astro. Der mobile Roboter hat einen Bildschirm, kann seine Umgebung mit Kamera und Mikrofon erfassen und bewegt sich auf Rädern durchs Haus.
Humanoide Robotik: der Mensch als Vorbild
Bei anthropomorphen oder humanoiden Robotern geht es um die Herstellung von Gliedmaßen, um Mimik und Gestik sowie um natürlichsprachliche Fähigkeiten. Kurzum: Im Fokus steht die täuschend echte Kopie eines Menschen. In der Praxis ist es aber oft gar nicht sinnvoll, wenn der Roboter dem Menschen täuschend ähnlich sieht, weil das Ängste beim Betrachter hervorruft (Uncanny Valley).
Was machen Nanoroboter?
Unter Nanorobotern oder Nanobots versteht man in der Nanotechnologie molekulare Maschinen im Kleinstformat. So können Nanobots für medizinische Anwendungen eingesetzt werden, in dem sie in Körperzellen oder in Blutgefäßen dem Patienten gezielt Medikamente zuführen.
Sind Softwareroboter und Bots echte Roboter?
Reine Softwareroboter (Bots) werden in der Informatik entwickelt und kommen in der Software- und IT-Welt zum Einsatz. Softwarebots sind kleine Softwareprogramme, die automatisch bestimmte Aufgaben übernehmen. Die Softwareroboter verwenden dabei nicht nur System-APIs, sondern können auch Anwendungssoftware über die Präsentationsschicht steuern, vergleichbar mit der Durchführung durch einen Menschen. Sie sind aber keine Robotik im klassischen Sinn – denn die Robotik zielt ja auf die Interaktion mit der physischen Welt. Auch Anwendungen wie Chatbots oder Textroboter, die automatisch Texte aus Daten erstellen, sind reine Softwareprogramme und daher keine echten Roboter. Daher hat auch die Robotic Process Automation (RPA) nichts mit dem Einsatz von Robotern zur Automation von Fertigungsprozessen zu tun.
Übrigens: Auch ferngesteuerte Dronen, autonome Autos oder Sprach-Assistenten und andere KI-Anwendungen zählt der Weltroboterverband IFR nicht zu den Robotern.
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