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Robotik

Robotik – Leitdisziplin des 21. Jahrhunderts

Als eine der Leitdisziplinen des 21. Jahrhunderts setzt sich die Robotik unter anderem mit der Konzeption, der Steuerung als auch der Fertigung und dem Betrieb von Robotern auseinander. Dabei steht das Themengebiet der Robotik nicht nur stellvertretend für den technischen Fortschritt mehrerer Dekaden, sondern erweist sich ebenfalls als äußerst komplex. Dementsprechend umfasst, vereint und beansprucht es in gleichem Maße das Zusammenwirken vieler Wissenschaften, Disziplinen und Fachrichtungen. Von großer Bedeutung sind für die Robotik vor allem Elektrotechnik, Maschinenbau und Mathematik als auch die Informatik und insbesondere das Forschungsgebiet der Künstlichen Intelligenz. Ergänzt werden besagte Disziplinen durch Kognitivwissenschaften, Psychologie und Biologie, um moralisches und soziales Verständnis bei der Interaktion zwischen Mensch und Maschine nicht aus den Augen zu verlieren.  

Im Fokus der Robotik befinden sich nach aktuellem Entwicklungsstand unter anderem kollaborative Roboter, sogenannte Cobots. Diese unterscheiden sich von herkömmlichen Industrierobotern, indem sie unmittelbar mit dem Menschen zusammenarbeiten und daher nicht durch physische Schutzvorrichtungen von ihrer Umwelt abgegrenzt sind. Um die Sicherheit des Menschen in diesem Kontext zu garantieren, ist die Integration von unterschiedlichen externen Sensoren nötig. Letztere erfassen diverse Daten, welche dem Roboter beziehungsweise seiner Steuerungseinheit Aufschluss über räumliche Gegebenheiten – und so auch über die exakte Position des Menschen – geben. Zu den Trendthemen der Robotik gehören außerdem autonome mobile Roboter, maschinelles Lernen, cloudbasierte Software und die Vernetzung mechanischer und elektronischer Komponenten durch Kommunikations- und Informationstechnologien.

Die Ergebnisse und der Erfolg der Robotik sind facettenreich und üben einen enormen Einfluss auf die Menschheit aus. Betroffen sind dabei zum einen Wirtschaft und Wissenschaft, aber auch das Gesundheits-, Verkehrs- und Militärwesen. Nicht zuletzt stehen die Auswirkungen der Robotik vor einem gesamtgesellschaftlichen Hintergrund und werden das menschliche Leben – sowohl in der Öffentlichkeit als auch im Privaten – nachhaltig verändern. 

Robotik und Automation als Bausteine der industriellen Revolution

Mit dem Ziel, Prozesse und Arbeitsschritte durch eigenständig handelnde Einrichtungen und Systeme zu optimieren, stellt die Automation einen enorm wichtigen Bestandteil der sogenannten Industrie 4.0 dar. Hierbei werden vorrangig industrielle Produktionsprozesse mit digitalen Innovationen aus Informations- und Kommunikationstechnik kombiniert. Besagte Vernetzung fußt unter anderem auf intelligenten Automatisierungslösungen wie der Robotik und ihren Produkten. Diesbezüglich stehen Automation, Robotik und die digitale Transformation in direkter Abhängigkeit zueinander – so kann ein für eine spezifische Tätigkeit entwickelter Roboter ohne menschliches Zutun einen bestimmten Arbeitsschritt ausführen und den Prozess damit automatisieren.  

Die Auswahl und Anzahl der zu automatisierenden Arbeitsschritte innerhalb einer Wertschöpfungskette ist variabel. Je nach Umfang des Einsatzes von autonomen oder halbautonomen Maschinen und Robotern kann zwischen einer Teil- oder Vollautomatisierung unterschieden werden. Ist der Prozess vollständig oder nahezu vollständig automatisiert, wird dies als Automation bezeichnet.

Die Beweggründe für den fortlaufenden Prozess der Automatisierung sind divers, zeigen sich jedoch insbesondere wirtschaftlich motiviert. So wird durch den industriellen Einsatz von Robotik, Digitalisierungsverfahren und weiteren Automatisierungslösungen eine Steigerung der Produktivität und Produktqualität als auch eine Verringerung des Ausschusses und Zeitaufwands möglich. Während es aus wirtschaftlicher Perspektive ohnehin unausweichlich ist, effizient mit Energie und Ressourcen umzugehen, profitieren zugleich das Ökosystem und die Gesellschaft. Neben der allgemeinen Optimierung von Produktionsprozessen können mithilfe intelligenter Systeme außerdem Personalkosten eingespart werden. Die Summe dieser Aspekte erlaubt Unternehmen, flexibel und dynamisch auf den Markt, die Konkurrenz und gesellschaftliche Rahmenbedingungen zu reagieren. Primär in Industriezweigen wie der Metall- oder Automobilindustrie entlasten Maschinen und Roboter darüber hinaus den Menschen, indem sie körperlich intensive oder monotone Tätigkeiten übernehmen. 

Infolgedessen üben Automation, Digitalisierung und Robotik Einfluss auf den Arbeitsmarkt und die Position des Menschen innerhalb vieler Wertschöpfungsketten aus. Im Rahmen der Produktion verschieben sich die Tätigkeitsbereiche teils sehr stark. Weil Industrieroboter die Handhabung, Montage und Bearbeitung von Werkstücken perfektionieren, verlagern sich die Aufgaben des Menschen vielmehr auf Planung, Kontrolle und Wartung. Zudem nimmt die Kollaboration zwischen Mensch und Robotik stetig zu, denn trotz fortschrittlicher Systeme und innovativer Technologien ist der Mensch mit seinen spezifischen Fähigkeiten, seiner Kreativität und seinem impliziten Wissen unerreicht. Mit der Automatisierung einzelner Arbeitsprozesse steigt im gleichen Zuge der Wert jener, welche durch den Menschen ausgeführt werden.

Das Leistungsspektrum der Automation beschränkt sich nicht auf Produktionshallen, sondern geht weit darüber hinaus. Zu den vielen Anwendungen gehört so beispielsweise die konstante Regelung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit in privaten Wohngebäuden. Im Straßenverkehr werden zugunsten von Sicherheit und Komfort Automatik-Getriebe und Einpark-Automaten eingesetzt. Schon bald sollen sich autonome Fahrzeuge ihren Weg durch den Straßenverkehr eigenständig bahnen, während der Transport von Konsumgütern automatisiert wird und unbemannte Drohnen bestellte Waren in kürzester Zeit liefern. Ein nutzbringender Einsatz von Automation, Robotik und Digitalisierung ist dementsprechend in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten gegeben.

Getriebe in der Robotik – Aufbau und Struktur 

Dynamik, Präzision und Autonomie – das Anforderungsprofil an Roboter steigt kontinuierlich und stellt damit Forscher, Entwickler als auch Ingenieure vor immer größere Herausforderungen. Dabei beruhen der Erfolg der Robotik und die zunehmende Akzeptanz ihr gegenüber maßgeblich auf technischen und mechanischen Leistungen. Einen Einblick in die komplexe Struktur und den Aufbau der Robotik geben Industrieroboter, welche seit vielen Jahren einen festen Platz in Produktionsanlagen auf aller Welt einnehmen.

Obwohl Industrieroboter verschiedene Tätigkeiten ausführen und sich dementsprechend untereinander durch spezifische Erweiterungen beziehungsweise Ausführungen unterscheiden, verfügen sie über eine weitgehend gleiche Grundstruktur. Diese besteht aus einer Kette kinematischer Glieder, darunter diverse Achsen und Verbindungselemente wie Dreh-, Schwenk- und Schubgelenke. Besagte Glieder sind die Voraussetzungen dafür, dass sich der Roboter, auch Manipulator genannt, oder vielmehr sein Greifarm beziehungsweise -system frei im Raum bewegen kann und Kontakt zu Werkstücken erlangt.

Die Bewegung besagter Elemente wird schließlich durch einen integrierten Antrieb ermöglicht. Diesem kommt eine entscheidende und für die Funktionalität des Roboters fundamentale Bedeutung zu – die sichere und zuverlässige Leistungsübertragung. Präzisionsgetriebe der Baureihen SHG-2UH/2SO/2SH der Harmonic Drive SE sind prädestiniert für den dynamischen und präzisen Einsatz von Industrierobotern. Mit ihrem kippsteifen Abtriebslager erlauben sie eine einfache und platzsparende Konstruktion und bieten eine Hohlwelle, welche Raum zur Durchführung von Versorgungsleitungen, Wellen und weiteren Medien bereithält.

Neben Kinematik, Greifsystem und Antrieb stellen sowohl die interne als auch die externe Sensorik wichtige Elemente der Robotik dar. Während interne Sensoren Informationen über die aktuelle Stellung und Positionierung von Achsen und Gelenken des Roboters erfassen, geben externe Sensoren Aufschluss über die Umwelt, sprich räumliche Gegebenheiten, denen die Robotik ausgesetzt ist. Genutzt werden die erhobenen Daten von der Steuerungseinheit, welche die Bewegungen und Aktionen des Roboters gemäß seiner Programmierung vorgibt sowie kontrolliert.

Die Geschichte der Robotik

Roboter gelten als Innovation des 20. Und 21. Jahrhunderts und sind für viele Menschen der Inbegriff von Informatik, Elektrotechnik sowie Maschinenbau. Auch wenn die Entwicklung der Robotik in besagtem Zeitraum bedeutend vorangeschritten ist, existierten Vorläufer heutiger, moderner Roboter bereits vor vielen Jahrhunderten. So wurden erste Versuche mit Automaten – darunter Musikmaschinen und sich eigenständig öffnende Tempeltüren – schon in der Antike unternommen. Im Jahre 1737 entwickelte der französische Ingenieur und Erfinder Jacques de Vaucanson einen mechanischen Flötenspieler, welcher etwa zwölf unterschiedliche Lieder spielen konnte, sowie eine mechanische Ente. Letztere war unter anderem in der Lage, ihre Flügel zu bewegen und Wasser zu trinken; de Vaucanson setzte sie aus über 400 Komponenten zusammen. Bei diesen und weiteren Automaten und auf Automation beruhenden Modellen handelte es sich in der Regel um Prototypen, welche nicht kommerziell vervielfältigt wurden. Sie waren vielmehr das Werk von Forschern und Erfindern.

Der industrielle Durchbruch der Robotik gelang schließlich im Jahre 1960, als die ersten Industrieroboter ihre Arbeit entlang der Fließbandfertigung aufnahmen. Die hydraulisch angetriebenen, statisch gebundenen Roboter kamen zu Beginn unter anderem beim Schweißen von Druckgussteilen zum Einsatz und sollten das Treiben in den Produktionshallen auf aller Welt revolutionieren. Bereits in den 1980er Jahren hatten sich Industrieroboter im industriellen Sektor, vor allem aber in der Automobilbranche, etabliert. Die Entwicklung der Robotik schritt rasant voran, sodass erste mobile Roboter konzipiert, produziert und eingesetzt wurden. Aufgrund des technischen Fortschritts vergrößerte sich ebenfalls das Anwendungsspektrum der Robotik stetig. Heute schreiten Automation und Digitalisierung in nahezu allen Branchen unaufhaltsam voran – und so auch die Robotik.

Industrieroboter: Absicherung von Wirtschaftlichkeit und Effizienz

Der Einsatz von Robotik stellt innerhalb des industriellen Sektors eine äußert wichtige oder vielmehr unverzichtbare Komponente dar. Während Industrieroboter traditionell insbesondere in der Fließfertigung der Automobilindustrie von großer Bedeutung waren, haben sie sich durch Innovationen sowie technischen Fortschritt stetig weiterentwickelt und sind heute ein fester Bestandteil der industriellen Wertschöpfungskette. Durch den Prozess der Automatisierung und das fortlaufende Bestreben nach Wirtschaftlichkeit, Effizienz und Nachhaltigkeit wird die Robotik ihre fundamentale Position auch in Zukunft beibehalten.

Grundlegend sind die Einsatzmöglichkeiten des Industrieroboters sehr facettenreich und variieren von Branche zu Branche. Typische Anwendungsgebiete der Fertigung sind hierbei jedoch Handhabungseinrichtungen zum Montieren, Verpacken und Bestücken von Maschinen. Auch im Rahmen von Vorgängen wie dem Lackieren, Messen, Schleifen, Schneiden und Schweißen werden Industrieroboter genutzt. Die Anforderungen an den Industrieroboter unterscheiden sich dabei – vor allem hinsichtlich seines technischen und mechanischen Aufbaus – in Abhängigkeit des geforderten Aufgabenportfolios. Im Zuge von einfachen, sich ohne Änderungen wiederholenden Arbeitsschritten und Prozessen kommt oftmals Robotik zum Einsatz, welche weder über Mobilität noch Sensorik verfügt. Viele Branchen umfassen hingegen Wertschöpfungsketten, die maßgeblich auf komplexe Roboter angewiesen sind. Sensorik, intelligente Technologien und umfangreiche Programmierungs- sowie Steuerungsmöglichkeiten sind hier notwendig.

Einen enormen Einfluss auf die Erweiterung des Anwendungsspektrums der Robotik haben im industriellen Kontext ebenfalls mobile, autonome Roboter. Aufgrund der Verknüpfung mit intelligenten Technologien und der daraus resultierenden eigenständigen Arbeitsweise bereichern besagte Roboter in vielen Produktionshallen den Transport und die Logistik. Müssen Werkstoffe beispielsweise zwecks Maschinenbestückung befördert werden, übernehmen spezielle Roboter den Transport. Letztere agieren damit als Bindeglied zwischen einzelnen Arbeitsschritten und sind Teil der sogenannten intelligenten Fabrik.

Medizinroboter – Assistent 2.0

In der Medizin nimmt die Robotik vornehmlich eine assistierende Rolle ein und dient dem Fachpersonal als helfende Hand. Durch ihre gleichbleibende Arbeitsleistung verkürzen Medizinroboter so Operationszeiten und mindern Behandlungsfehler, die unter anderem durch Müdigkeit entstehen. Doch nicht nur im Operationssaal kommt die Robotik zum Tragen. Es profitiert ebenfalls die stationäre Pflegebranche, die sich vom demografischen Wandel besonders betroffen zeigt. Während immer mehr Menschen als pflegebedürftig gelten und nicht mehr in der Lage sind, ohne Betreuung zu leben, intensiviert sich der Personalmangel stetig. Medizinroboter unterstützen das Personal, indem sie den Transport von Blutkonserven und das Abfüllen von Proben übernehmen. In diesem Zusammenhang setzen intelligente Technologien der Robotik Zeit frei, welche für eine intensivere und aufmerksamere Betreuung der Patientinnen und Patienten durch das Pflegepersonal genutzt werden kann.

Entgegen manch einer Fiktion hat die Robotik im medizinischen Bereich in erster Linie nicht das Ziel, Chirurg, Internist oder Pfleger zu ersetzen. Auch handeln Medizinroboter prinzipiell nicht selbstständig, sondern werden meist durch qualifiziertes Fachpersonal gesteuert. Robotik und Technik stellen in diesem Sinne vielmehr eine positive Manipulation oder Optimierung der menschlichen Fähigkeiten dar – und sind damit von gesamtgesellschaftlicher Bedeutung. Diese wird mitunter im Bereich der Rehabilitation durch sogenannte Exoskelette deutlich. Besagte Stützstrukturen sind mit Servomotoren ausgestattet und helfen erkrankten Menschen dabei, alltägliche Bewegungen auszuführen und ihre Mobilität wiederzuerlangen.

Serviceroboter im Privathaushalt  

Im industriellen Umfeld und in vielen weiteren Teilbereichen aus Wirtschaft und Wissenschaft ist die Robotik bereits ein alltäglicher Begleiter. Während hier Mensch, Maschine und Roboter Hand in Hand arbeiten, beschränkt sich das Anwendungsspektrum von Robotik im Privathaushalt derzeit auf verhältnismäßig wenige Tätigkeiten. Serviceroboter, auch Haushaltsroboter genannt, zeichnen sich durch ihre Mobilität und Eigenständigkeit aus. Sie sind in der Lage, insbesondere Reinigungsarbeiten wie das Rasenmähen und Staubsaugen ohne Einfluss oder Bedienung eines Menschen zu übernehmen. Gestützt durch spezifische Sensoren und aufgabenorientierte Programmierung können besagte Roboter selbstständig navigieren und erweisen sich räumlichen Veränderungen gegenüber als äußerst anpassungsfähig.

Die grundlegende Komplexität des Einsatzes von Robotik im Haushalt stellt für Forschung und Entwicklung dennoch große Hürden dar. So definiert sich besagtes Umfeld als sehr sensibel und dynamisch. Im Speziellen mobile Roboter agieren hier in direktem Kontakt mit dem Menschen, weshalb für unausgereifte Systeme beziehungsweise Technologien kein Spielraum besteht und eine präzise, fehlerfreie Funktionsweise unabdingbar ist. Darüber hinaus erfordern viele Tätigkeiten umfassende und oftmals variierende Bewegungsmuster, Arbeitsschritte und Rahmenbedingungen. Robotik-Systeme müssen demzufolge im Stande sein, präzise, dynamisch und erfahrungsbasiert auf ihre Peripherie einzugehen. Der sozialen Komponente wird diesbezüglich ein zentrales Interesse zuteil.

Trotz angesprochener Problematiken gewinnt die Robotik im Privatleben kontinuierlich an Bedeutung und die Anzahl der im Haushalt eingesetzten Roboter nimmt deutlich zu. Ausschlaggebend für diesen Prozess sind in erster Linie der technische Fortschritt sowie die steigende Akzeptanz in der Bevölkerung. Einen fundamentalen Anteil am Erfolg und Progress der gesamten Robotik – inbegriffen der Robotik im privaten Umfeld – haben außerdem die künstliche Intelligenz und die systematische Verarbeitung der Informationsflut. Durch die Automatisierung intelligenten Verhaltens sollen Serviceroboter Probleme, unter anderem anhand von Erfahrungswerten und extern oder intern zugeführten Informationen, eigenständig bearbeiten können. Zielführend ist in diesem Rahmen der Leitgedanke, die Kommunikation und Interaktion zwischen Mensch und Roboter nutzbringend zu optimieren.

Robotik im militärischen Umfeld

Zu den zahlreichen Anwendungsfeldern der Robotik zählen ebenfalls die Terrorprävention, der Katastrophenschutz und das Militär. Für den militärischen Einsatz entwickelte Roboter, sogenannte Militärroboter oder unbemannte militärische Systeme, agieren vornehmlich in den Bereichen der Beobachtung, Aufklärung, Spionage und des Wachdiensts. Bereits im praktischen Einsatz erprobt sind dabei vor allem Kampfdrohnen, die zur Aufklärung beitragen und bei Handlungsbedarf über Raketen verfügen – und dementsprechend auch der Zielbekämpfung dienen. Während besagte Aufgaben derzeit im teils stark begrenzten taktisch-operationellen Bereich stattfinden, werden der Robotik in Anbetracht der fortschreitenden Automatisierung zukünftig immer mehr Kompetenzen übertragen. In diesem Zuge rückt die Autonomie der Robotik in den Vordergrund und zieht ethische Fragestellungen nach sich. Neben Automatisierung, künstlicher Intelligenz und Autonomie gilt des Weiteren die Miniaturisierung von Strukturen als Trend der Militärtechnologie.

Mechatronische Kompetenz trifft Robotik - Harmonic Drive SE