Roboter sind längst ein fester Bestandteil unseres Alltags. Während wir oftmals jedoch nicht einmal mehr bemerken, welche Arbeiten sie für uns bewältigen, haben sich Industrieroboter offenkundig zum Aushängeschild des industriellen Sektors entwickelt. Als Innovationstreiber der gesamten Robotik stellen sie ein elementares Instrument der Automatisierungstechnik dar und sind maßgeblich für wirtschaftlichen Erfolg und Wohlstand verantwortlich. Unabhängig von Funktion und Einsatzbereich werden Industrieroboter als mehrachsige Automaten definiert, deren Bewegungen frei programmierbar oder sensorgeführt sind. Zur Anpassung an die gewünschte Aufgabe und das jeweilige Arbeitsumfeld lassen sie sich mit Werkzeugen, Greifern und weiteren Instrumenten ausstatten. Ob Herstellung, Bearbeitung oder Logistik – das Anwendungsspektrum von Industrierobotern ist breitgefächert und bietet Raum für Innovationen.

Aufbau herkömmlicher Industrieroboter

Der strukturelle Aufbau klassischer und moderner Industrieroboter geht grundlegend auf eine Anzahl bestimmter Komponenten zurück, die je nach Applikation und Integration in unterschiedlichem Maße ausgeprägt sind. Hierzu gehört die Steuerungstechnik, welche die Bewegungen und Aktionen des Roboters nicht nur vorgibt, sondern auch konstant überwacht. Möglich wird dies durch entsprechende Programmierung, welche durch sogenannte Off- und Online-Verfahren umgesetzt werden kann.

Für die Bewegung der einzelnen Systemglieder ist der Antrieb zuständig. Als konstruktive Einheit besteht dieser aus Motor, Getriebe und Regelung und kann nach Wahl elektrisch, hydraulisch oder aber pneumatisch ausgeführt werden. Die Position und Ausrichtung der Glieder können mittels interner Sensorik wie inkrementalen Drehgebern ermittelt werden, um die aktuelle mit der gewollten Position, sprich Soll- und Ist-Wert, zu vergleichen. Industrieroboter mit externer Sensorik sind darüber hinaus in der Lage, ihre Umwelt zu erfassen und auf diese Weise auf äußere Umstände zu reagieren. Die Schnittstelle zwischen Industrieroboter und Werkstück bildet schließlich das Greifsystem; verkörpert durch beispielsweise ein Werkzeug oder einen Greifer, übernimmt es die zuvor festgelegte Produktionsarbeit.

Überfassend werden die Glieder, Gelenke und Antriebselemente des Roboters als Manipulator bezeichnet. In welchem Rahmen sich der Manipulator bewegen kann, wird durch die kinematische Realisierung und Anzahl an Achsen/Freiheitsgraden bestimmt. Im mechanischen Sinn werden Achsen als steife Körper dargestellt, deren Verbindung durch Gelenke umgesetzt wird. Im Wesentlichen sind mindestens drei Achsen vonnöten, um jeden Punkt eines definierten dreidimensionalen Raumes zu erreichen.

Programmierung von Industrierobotern

Viele moderne Robotersteuerungen verfügen über eine äußerst komplexe Programmierumgebung, in welche durch die Integration von Modulen bei Bedarf externe Sensoren eingebunden werden können. Zu unterscheiden sind bei der Programmierung von Industrierobotern in erster Linie die beiden Verfahrensgruppen Online und Offline. Bei ersteren Verfahren erfolgt die Programmierung unmittelbar am Einsatzort, wo der Roboter – wie im Kontext des Teach-in-Verfahrens – über Tastatureingabe oder Joystick an die gewünschten Raumkoordinaten manövriert wird. Die nötigen Prozessschritte werden reproduziert, bis der Industrieroboter den vollständigen Arbeitszyklus absolviert hat. Im Rahmen dieses Prozesses werden neben den Raumpunkten diverse Informationen wie Geschwindigkeit und Beschleunigung gespeichert.

Während bei Verfahren der Online-Programmierung ein temporärer Stillstand des betroffenen Industrieroboters unumgänglich ist, ermöglichen Offline-Verfahren eine indirekte Programmierung des Systems, bei der die jeweilige Maschine ununterbrochen arbeiten kann. Das Programmiersystem ist in diesem Fall vom Industrieroboter getrennt, wodurch sowohl eine textuelle als auch eine durch grafische, CAD-basierte Methoden gestützte Programmierung möglich ist. Die Praxis zeigt jedoch, dass es nicht zielführend ist, sich lediglich auf eine Verfahrensgruppe zu beschränken. Vielmehr findet eine Kombination aus Offline und Online statt; solche Hybride vereinen beispielsweise die Entwicklung des Handhabungsablaufs von Offline-Verfahren und Informationen bezüglich der Positionsangaben von Online-Verfahren.

Unterscheidung zwischen Industrieroboter und Serviceroboter

Der rasante technische Fortschritt und das stetig wachsende Anwendungsspektrum der Robotik lassen diverse Möglichkeiten zur Unterscheidung von Industrierobotertypen zu. Während sich vor allem die Unterteilung anhand der verwendeten Kinematik über die Jahre hinweg etablieren konnte, ist es mit Blick auf Verwendungszweck und Anwendungsumfeld ebenfalls möglich, zwischen Service- und Industrierobotern zu differenzieren. Im Gegensatz zu Industrierobotern, die per Definition lediglich im industriellen Bereich – beispielsweise und insbesondere innerhalb von Produktions- beziehungsweise Fertigungshallen – verwendet werden, kommen Serviceroboter unter anderem im Haushalt und in öffentlichen Einrichtungen zum Einsatz. Klassische Anwendungsbeispiele sind Reinigungsroboter wie Staubsaugerroboter, Fensterputzroboter und Rasenmähroboter sowie Überwachungs- und Spielzeugroboter.

Immer häufiger überschneiden sich die Aufgaben und Nutzungsbereiche von Service- und Industrierobotern, sodass eine exakte Kategorisierung wie die zuvor beschriebene mit Einschränkungen zu betrachten ist. So werden auch smarte Roboter der Logistik, Landwirtschaft, Medizintechnik und Kundeninformation als Serviceroboter bezeichnet, weil ihr Einsatz in diesen Bereichen und Branchen nicht an herkömmliche Produktionshallen gebunden ist. Weitere Anwendungsbereiche von Servicerobotern sind die Überwachung von Wohnobjekten, die Gastronomie sowie der Unterhaltungssektor. In der Logistik führen beispielsweise das Zusammenkommen von kontinuierlich steigenden Erwartungen der Kunden und Personalmangel zu einem Bedarf an Kommissionierungstechnik, die auf Automatisierung beruht. Mobile Roboter mit Greifarmen stellen diesbezüglich eine erfolgsversprechende Lösung dar.

Industrielle Anwendungsbereiche

Der industrielle Kontext lässt die Verwendung von Robotik in fast allen Teilbereichen der Fertigung zu. Nahmen Industrieroboter zu Beginn lediglich eine bedeutende Rolle in Handhabungsprozessen der Automobilindustrie ein, so kamen sie wenige Zeit später auch in anderen Industrien wie der Elektronik-, Metall-, Glas-, Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie zum Tragen. Heute finden Industrieroboter unter anderem als Fügeroboter zum Druckfügen, Kleben, Abdichten und Rollfalzen, als Handhabungseinrichtung zur Maschinenbestückung, zum Montieren, Palettieren, Stapeln und Verpacken sowie als Schneidroboter zum Fräsen, Sägen oder Wasserstrahlschneiden ihre Verwendung. Auch Lackier-, Mess-, Schleif- und Schweißroboter dominieren Produktionshallen.

Sicherheit – oberstes Gebot der Robotik

Dass die Sicherheit des Menschen bei dem Einsatz von Robotertechnik an höchster Stelle stehen muss, erkannte man bereits in den 1950er Jahren. In seinen Science-Fiction-Romanen schrieb der russisch-amerikanische Biochemiker und Schriftsteller Isaac Asimov nieder, dass der Mensch weder durch den Roboter noch seine Arbeit zu Schaden kommen dürfe. Während sich dieser Leitgedanken ohnehin in den Konzeptions- und Entwicklungsarbeiten moderner Industrieroboter etablierte, geben Gesetze – wie die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG im europäischen Raum – und internationale Normen – unter anderem ISO EN 10218 – einen rechtlichen Rahmen.

Um den teils unerwarteten Bewegungsabläufen, hohen Beschleunigungen und immensen Kräften von Industrierobotern zu entgehen, wird oftmals eine räumliche Trennung der Arbeitsumgebung vorgenommen. Schutzeinrichtungen wie Gitter und anderweitige Absperrungen bewahren sowohl Mensch als auch Maschine vor einer potenziellen Kollision. Um auch bei Wartungsarbeiten einen sicheren Zu- und Umgang des Industrieroboters zu gewährleisten, werden unter anderem Lichtschranken eingesetzt, die bei Unterbrechung zur Deaktivierung der Maschine führen.

Eine besondere Herangehensweise im Rahmen der Arbeitssicherheit erfordern kollaborierende Roboter. Ziel der sogenannten Cobots ist es, die motorischen Fähigkeiten des Menschen mit Vorzügen der Robotik wie Kraft, Ausdauer und Geschwindigkeit zu verknüpfen. Hierfür arbeiten sie in einem definierten Umfeld, dem Kollaborationsraum, Hand in Hand mit dem Menschen zusammen und kommen dabei teilweise oder gänzlich ohne Schutzeinrichtungen aus. Stattdessen werden Sicherheitsfunktionen unter anderem mit Hilfe von Sensorik realisiert. So auch im Kontext der Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung, bei welcher der Industrieroboter kontinuierlich einen festgelegten Sicherheitsabstand zum Menschen einhält. Ist ihm dies aufgrund äußerer Umstände nicht möglich, unterbricht er seine Arbeit. Während diese Methode auf einer gezielten Positionserfassung von Maschine und Mensch basiert und keine direkte Zusammenarbeit ermöglicht, lassen Methoden der Leistungs- und Kraftbegrenzung Berührungen zu. Die Kraft- und Leistungsdaten des Cobots sind hierbei begrenzt, sodass der Schaden bei einer möglichen Kollision von Industrieroboter und Mensch stark limitiert ist.

Geschichte der Industrieroboter

Der geschichtliche Ursprung des Industrieroboters ist – wie bei vielen Erfindungen und Technologien – nicht unumstritten. Meist wird er in der Reaktortechnik gefunden, wo Maschinenbauingenieur Raymond Goertz bereits 1951 einen handgesteuerten Manipulator konzipierte, der den Austausch von Brennstäben in Atomreaktoren ermöglichte. Der Grundgedanke der Robotik wurde schon hier deutlich; so soll die jeweilige Maschine Arbeit verrichten, die für den Menschen zur schwer oder aber zu gefährlich ist.

Die Erfindung des ersten Industrieroboters wird offiziell auf das Jahr 1954 datiert, in welchem der US-Amerikaner George Devol einen programmierbaren Manipulator patentieren ließ. Gemeinsam mit Ingenieur und Unternehmer Joseph Engelberger, heute mitunter als Vater der Robotik bezeichnet, gründete Devol im Jahr 1956 das Unternehmen Unimation. Letzteres entwickelte den Industrieroboter Unimate, der nach vorherigen Tests ab 1961 in einer Produktionslinie des Automobilkonzerns General Motors Verwendung fand und so den Weg für weitere Einsatzbereiche ebnete. Als erster Industrieroboter verfügte Unimate über einen mechanischen Arm und konnte unterschiedliche Anweisungen ausführen, darunter das Schweißen von Gussteilen. Zu den ersten Ländern, die das Potential von Industrierobotern erkannten, gehörten Deutschland und das von Fachkräftemangel getriebene Japan.

Heute gelten Industrieroboter in der Bundesrepublik Deutschland in beinahe allen Bereichen des Sektors als unverzichtbar. Dies zeigen auch Studien: In wenigen Ländern kommen auf 10.000 Beschäftigte so viele Industrieroboter, wie es in der Bundesrepublik Deutschland der Fall ist. Obwohl die Vielfalt der Maschinen und dementsprechend das Anwendungsspektrum stark zugenommen haben, gründet die enorme Dichte an Industrierobotern insbesondere auf dem Trend der Automatisierung in führenden Branchen, vor allem aber der Automobilindustrie. Moderne Entwicklungen, beispielsweise autonome mobile Roboter und Cobots, zeigen zudem, dass das Potenzial der Robotik längst nicht ausgeschöpft ist.

Synonymes

Industrieller Manipulator