Roboter in der modernen Fertigung: Flexible Helfer für zahllose Bereiche

Was den Menschen an die Spitze aller Lebewesen dieses Planeten katapultierte, war und ist seine Fähigkeit, körperliche und sensorische Unterlegenheit in vielen Bereichen durch eine überlegene Gehirnleistung zu überkompensieren. Ein Gepard etwa mag ungleich schneller laufen können als selbst die besten Sprinter. Dafür aber vermag es der Mensch, ein Fahrzeug zu entwickeln, das dieses schnellste aller Landtiere weit hinter sich lässt.

Unabdingbar für diese Fähigkeit ist jedoch noch etwas anderes: Der Mensch ist in der Lage einzusehen, wo seine Grenzen liegen. Er weiß, dass er nicht in jedem Bereich perfekt ist. Das gab und gibt die Motivation, Dinge zu entwickeln, die es sind – zumindest im Vergleich mit menschlichen Fähigkeiten.

Der Industrieroboter ist wohl das herausragendste Beispiel für diese selbstreflektierende Denkweise: Er ist im Rahmen seines Einsatzbereichs in jeder Hinsicht einem menschlichen Arbeiter überlegen. Gerade heute, mit enormen Fortschritten in der Digitalisierung und der künstlichen Intelligenz (KI) zeigt sich das in einem sich allmählich sehr breit auffächernden Anwendungsspektrum.

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Menschliche Schwächen, robotische Stärken

Bis zum heutigen Tag beweist der Mensch immer wieder seine Fähigkeit, sogar hochmoderne Techniken selbst beherrschen zu können. Denken wir an die Produktion von Smartphones, die vor allem in China immer noch zu großen Teilen auf menschliche Mitarbeiter für die Endfertigung setzt.

Allerdings ist der Mensch bei aller evolutionären Perfektion limitiert. Der Industrieroboter ist deshalb an jedem einzelnen Punkt dazu gedacht, diese Limits zu beseitigen. Das bedeutet folgendes:

• Der Roboter benötigt keine Pausen in menschlichen Zeiträumen. Es genügt, wenn er (je nach Art und Anwendung) alle paar Tage, Wochen oder Monate etwas Wartung und mitunter Nachjustierung erfährt – letzteres wird durch die Entwicklung leistungsfähiger Sensoren sogar immer weniger bedeutsam.
• Ungleich zum Menschen ist die volle Leistungsfähigkeit und Einsatzbereitschaft beim Roboter immer auf Maximalniveau. Sie sinkt nicht im Lauf einer anstrengenden Schicht ab, es gibt weder krankheitsbedingte Ausfälle noch „schlechte Tage“ oder unliebsame Aufgaben, die mit weniger Elan erledigt werden.
• Kein Mensch kann repetitive Tätigkeiten so schnell und mit einer derartigen Wiederholgenauigkeit ausführen, wie es ein Roboter vermag. Zitternde Hände sind dem automatisierten Mitarbeiter ebenfalls fremd und er kann Lasten bewegen, an denen selbst Weltklasse-Gewichtheber scheitern würden.
• Der Roboter kann je nach Aufgabe deutlich weniger Platz benötigen als ein Mensch, gleichsam aber die Arbeitsleistung von mehreren menschlichen Arbeiten im gleichen Zeitraum vollbringen.
• Damit Menschen in gefährlichen Umgebungen arbeiten können, müssen zahlreiche aufwendigen Sicherheitsmaßnahmen und -techniken entwickelt und umgesetzt werden. Da der Roboter hingegen nur eine Maschine ist, kann er viel einfacher eingesetzt werden – und ohne jegliche moralischen Fragestellungen.

Natürlich bedeutet ein Industrieroboter teils erhebliche Kosten. Er selbst muss entwickelt werden, dazu mitunter die Steuerungs-Software oder -KI. Der Anschaffungspreis ist dementsprechend je nach Fähigkeitsgrad ausnehmend hoch, kann sich im Bereich mehrerer Millionen Euros bewegen.

Jedoch: Wenn diese Summen bezahlt sind, dann sind die laufenden Kosten im Vergleich mit menschlichen Mitarbeitern völlig vernachlässigbar. Jeder Industrieroboter amortisiert sich deshalb sehr rasch und beginnt dann, durch seine erwähnten Vorteile, Gewinne zu erwirtschaften.

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Der Industrieroboter: Eine lange Erfolgsgeschichte

Wer heute in ein Auto steigt, der darf sich bei der absoluten Majorität aller Modelle sicher sein, in einem Produkt zu sitzen, bei dem viele Fertigungsschritte von Industrierobotern übernommen wurden. Beispielsweise dürfte keine einzige Schweißnaht menschlicher Natur sein, sondern von entsprechenden Schweißrobotern ausgeführt worden sein.

Wie noch genauer erläutert wird, kommen Industrieroboter in immer mehr Anwendungen zum Einsatz. Doch selbst, wenn diese Systeme sich stark voneinander unterscheiden können, so läuft es jedoch im Endeffekt immer auf zwei besonders wichtige Baugruppen hinaus, die einzeln veräußert werden, jeden Roboter bestimmen und deshalb das sichtbarste Element eines eigentlich größeren Systems sind:

• Der Manipulator: Das ist der Roboterarm, der verschiedene Gelenke besitzt und dadurch die wichtigsten Bewegungen ermöglicht. Heute handelt es sich meist um sogenannte 6-Achsen-Systeme.
• Der Effektor: Sozusagen der Werkzeugaufsatz des Manipulators. Typisch sind hier Greifer bzw. Greifsysteme nach Art einer Hand. Ebenso sind jedoch andere Gerätschaften möglich, etwa ein Punktschweißgerät.

Hinzu kommen bei modernen Industrierobotern natürlich noch Sensoren und Steuerungssysteme. Allerdings genügten in der Frühzeit tatsächlich Manipulator und Effektor, um einen „verlängerten Arm“ des Menschen darzustellen:

Derartige Systeme wurden erstmalig in den späten 1940er Jahren entwickelt. Damals begann die Zeit der Nuklearindustrie, es mussten stark radioaktive Dinge bewegt werden. Hierzu entwickelte der US-Ingenieur Raymond Goertz einen sogenannten „Master-Slave-Manipulator“ – auch als „Waldo“ bekannt, nach einer Kurzgeschichte des bekannten SciFi-Autors Robert A. Heinlein.

Hierbei ergreift ein menschlicher Bediener ein System, das seine Arm- und Handbewegungen aufnehmen kann. Über mechanische, elektrische oder hydraulische Verbindungen werden diese Bewegungen an zwei mechanische Arme übertragen. Diese befinden sich in einer abgeschirmten Kapsel, etwa einer sogenannten „Heißen Zelle“. Das erlaubt eine einfachere Abschirmung der Strahlung, ohne jedoch die Arbeit zu stark zu limitieren.

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Zwar kommen bis heute Waldos in stark radioaktiven und anderweitig gefährlichen Umgebungen zum Einsatz, in geschichtlicher Sicht wurden sie jedoch schnell durch „richtige“ Industrieroboter ergänzt. Im Verlauf der späten 1950er kamen bereits die ersten Systeme auf, die auf Fertigungsstraßen einfache Aufgaben wie das Punktschweißen durchführen konnten. Allerdings mangelte es diesen Geräten noch an einer effektiven, software-basierten Steuerung. Dies wurde im Verlauf der 1960er durch die allgemeine Weiterentwicklung der Digitaltechnik dramatisch verbessert.

Ab den späten 1960ern wurden Industrieroboter binnen weniger Jahre zu einem weltweiten Standard in der Fahrzeugfertigung – und sorgten hier für eine zuvor ungekannte Präzision und Wiederholgenauigkeit, wodurch die Fahrzeugfertigung einen starken Qualitätsgewinn erfuhr. Über die nachfolgenden Jahre entwickelte sich der Industrieroboter in immer mehr Nationen und Unternehmen zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Fertigung.

Allerdings blieben Industrieroboter bis fast in die heutige Zeit ein Phänomen, das ausschließlich in sehr großen Industrien angewendet wurde:

• Fahrzeugherstellung,
• Elektrische und elektronische Komponentenfertigung sowie
• Metall- und Maschinenbau

sind die wichtigsten Anwendungsgebiete von Industrierobotern. Deutschland gilt dabei als eine der führenden Nationen, was das Verhältnis Roboter zu Industriearbeiter anbelangt. Schon 2016 überschritt der Wert 300 Roboter pro 10.000 Mitarbeiter.

Heute allerdings wirkt dieser Wert beinahe klein. Denn aktuell werden Roboter noch wichtiger.

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Industrieroboter heute: Durchbruch durch Weiterentwicklung

Um zu verstehen, warum Industrieroboter zwischen den 1960ern und den 2010ern zwar so enorme Erfolge feierten, sich aber nicht so dramatisch durchsetzten, wie man es von anderen Techniken kennt, ist es nötig, auf einige wichtige technische Realitäten dieser großen Roboter einzugehen:

• Die Investitionskosten waren (und sind) sehr hoch. Außerdem bedeutet die Integration von Industrierobotern in eine Prozesskette weitere Kosten. Dementsprechend konnten sich lange Zeit nur sehr potente Unternehmen derartige Ausgaben leisten.
• Zwar konnten schon die ersten Generationen von Fertigungsrobotern eine Bewegungsgenauigkeit im Bereich von 0,002 Millimetern erzielen. Bis in die 2010er hinein war jedoch der Mensch dank seiner sensorischen Fähigkeiten und der Leistungsfähigkeit seines Gehirns für viele Anwendungen dennoch der bessere Arbeiter – vor allem bei äußerst feinen Bewegungen.
• Die Systeme zum Einrichten und Steuern waren überaus komplex und dadurch unflexibel. Deshalb konnten solche Roboter sich nur in Bereichen bewähren, in denen über viele Monate oder gar Jahre dieselben Arbeitsschritte zu bewältigen waren.
• Den Robotern mangelte es völlig an der Fähigkeit, ihre Umgebung zu evaluieren. Sie mussten (und müssen) deshalb entweder in Käfigen oder durch Lichtschranken geschützt agieren. Andernfalls kann es beim Kontakt mit Menschen zu gefährlichen Situationen und Unfällen kommen – derartige Roboter merken es nicht, wenn beispielsweise eine Person im Bewegungsbereich des Armes steht.
• Die Kapazitäten von Prozessoren, Sensoren und Steuerungsarchitekturen genügten nicht, um mehrere Arme oder gar Roboter kollaborativ arbeiten zu lassen. Dementsprechend lassen sich mit derartigen Robotern nur linear hintereinandergeschaltete Arbeiten vollziehen, bei denen jeder Roboter sein eigenes Programm fährt. Gut für große Fertigungsstraßen, weniger tauglich für kleinere Umgebungen.

Mittlerweile allerdings hat sich diesbezüglich an beinahe jeder „Front“ etwas getan. Der Hauptgrund dafür ist die innerhalb kurzer Zeiträume sehr stark angewachsene Digitalisierung in vielen Bereichen.

• Die Leistungsfähigkeit von Prozessoren ist sehr groß geworden. Zudem lassen sich mittlerweile mehrere Recheneinheiten auf recht einfache Weise zu einem Verbund vernetzen. Dementsprechend ist es möglich, Industrieroboter mit wesentlich mehr Rechenleistung und somit Datenverarbeitungskapazität auszurüsten. Zudem sind Steuerungssysteme bei gleichbleibender Leistung geschrumpft. Das ermöglicht es, Roboter zu fertigen, deren Steuerung integriert ist – wo sie bei großen Industrierobotern meist in einiger Entfernung in Schaltschränke eingebaut ist. Entsprechend deutlich kompaktere Systeme sind möglich.
• Sensoren werden immer fähiger und gleichsam günstiger. Aktuell befinden wir uns beispielsweise an einem Punkt, an dem mehrere optische Sensoren die Bewegung eines Roboterarms dreidimensional aus einer externen Perspektive heraus bewerten können – wo vorherige Generationen nur die jeweilige Position eines Gelenks durch simplere Sensoren überwacht wurde. Das sorgt für eine deutliche Präzisionssteigerung.
• Bei der Steuerungssoftware hat sich vieles getan. Frühere Roboter benötigten eine individuell (und demensprechend kostspielig zu programmierende) angepasste Architektur. Mittlerweile jedoch gibt es unter anderem mit dem „Robot Operating System“ (ROS) ein nicht nur quelloffenes (ähnlich wie beispielsweise die Wikipedia oder das Bildbearbeitungsprogramm GIMP), sondern sehr leicht für verschiedene Nutzungsszenarien anpassbares Framework – das überdies durch seine Lizensierung selbst in einem gewerblichen Umfeld kostenlos benutzt werden kann.
• Künstliche Intelligenz hat allein in den vergangenen zehn Jahren geradezu fantastische Leistungs- und Fähigkeitszuwächse erlebt. Zwar sind wir noch Jahrzehnte von einer sogenannten starken KI entfernt. Für die Industrierobotik mit ihren relativ eng abgegrenzten Einsatzszenarien ist dies jedoch kein Problem, hier genügt eine schwache KI voll und ganz. Selbst, wenn es sich „nur“ um einen guten Algorithmus handelt, der nicht die Definition einer echten KI erfüllt, werden Roboter immer stärker in die Lage versetzt, basierend auf ihren Sensoren und der Systemarchitektur eigenständig Situationen zu unterscheiden und dafür eigene, hochflexible Entscheidungen zu treffen.

Diese vier Positionen ergeben zusammen eine Situation, in der Industrieroboter eine deutlich gesteigerte Chance haben, sich in verschiedensten neuen Anwendungsgebieten zu etablieren. So kommen derzeit immer mehr Roboter auf den Markt, deren Anschaffungskosten nur einen Bruchteil dessen betragen, was noch vor wenigen Jahren zu zahlen war. Wenn Roboter gleichzeitig leistungsfähiger und erschwinglicher sind, werden sie für eine deutlich größere Bandbreite von Unternehmen interessant. Dies zeigt sich nicht zuletzt in den Absatzzahlen:

Über die gesamten 2000er Jahre hinweg wurden jährlich weltweit nur rund 110.000 Industrieroboter abgesetzt. Nach der Weltwirtschaftskrise stieg diese Zahl jedoch sprunghaft an. 2020 etwa betrug sie 384.000 Roboter, nachdem es 2018 sogar schon 422.000 gewesen waren. Schätzungen zufolge dürfte bereits 2024 die 500.000er Marke überschritten werden – wie gesagt, nur von in diesem Jahr neuinstallierten Robotern.

Aktuell steht diesbezüglich vor allem auf der Agenda, die Kollaborationsfähigkeiten von Robotern zu steigern. Das heißt, Industrieroboter, die zwei (oder künftig gar noch mehr) Manipulatoren besitzen und die Fähigkeit, mehrere solcher Roboter miteinander interagieren zu lassen. Dadurch können sie sich auf ähnlich komplexe Art und Weise gegenseitig zuarbeiten, wie es menschliche Mitarbeiter vermögen. Allerdings ist Kollaboration ebenso ein Stichwort für einen anderen Bereich.

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MRK: Kollaborative Mensch-Roboter-Szenarien

Bis vor Kurzem konnten Industrieroboter ausschließlich Menschen ersetzen. Eine gemeinsame Arbeit war aufgrund der mangelnden robotischen Leistungsfähigkeit nicht möglich, sondern sogar gefahrvoll.

Aktuell tritt jedoch immer stärker MRK als ein äußerst wichtiger Seitenarm der Industrierobotik in den Vordergrund. Bei dieser Mensch-Roboter-Kollaboration geht es darum, menschliche Arbeiter in unmittelbarer Nähe zu Robotern und mit diesen Arbeiten zu lassen. All die im vorherigen Kapitel genannten Entwicklungen machen dies möglich.

Tatsächlich stellen Mensch und Roboter (in diesem Fall sogenannte „Cobots“) in vielerlei Hinsicht sogar ein Dream Team dar, das seine Stärken gegenseitig multipliziert, während die Schwächen negiert werden:

• MRK senkt die Hemmschwelle zum Einsatz von Robotik. Denn es ist nicht nötig, einen Menschen durch einen Roboter zu ersetzen, sondern er wird lediglich durch diesen „Kollegen“ ergänzt. Dies sorgt für deutlich geringere Widerstände in allen gesellschaftlichen Schichten.
• Es kann eine sehr förderliche Arbeitsteilung erfolgen. Hierbei übernimmt der Roboter alles, was für den Menschen unangenehmer, anstrengender oder schlicht nicht machbar ist.
• Der Mensch kann bei MRK seine Stärken anbringen, die sich in digitaler Weise selbst heute nur aufwendig (= kostspielig) reproduzieren lassen. Namentlich das Urteilsvermögen, die Situationsflexibilität und in Form der Intuition etwas, das sich sogar auf absehbare Zeit wohl gar nicht digital reproduzieren lassen wird.
• Der Raumbedarf ist in MRK-Szenarien deutlich geringer als bei der herkömmlichen Vorgehensweise mit stark voneinander abgetrennten Arbeitsplätzen.
• Durch die große digitale Leistungsfähigkeit ist der Umdenkprozess für die menschlichen Mitarbeiter vergleichsweise gering. Es können also selbst weniger qualifizierte Personen in eine MRK eingebunden werden.

Der Hauptgrund, warum MRK derzeit als eine so bedeutende Technik angesehen wird, ist die demografische Struktur. Viele Erstweltnationen haben mit Überalterung zu kämpfen. Kollaborative Roboter können diese Nachteile gänzlich aufheben, wodurch die kleinere Work Force ähnliche Leistungen liefern kann wie in Nationen, die aus einem deutlich größeren Personal-Pool schöpfen können.

Tatsächlich sind einige Experten sogar der Ansicht, Cobots seien für die kommenden Jahrzehnte das wichtigste Feld der allgemeinen Industrierobotik. Also nicht ein oft befürchteter Ersatz menschlicher Mitarbeiter durch Roboter, sondern eine eng verzahnte Umgebung – die das Beste aus beiden Welten bedeuten würde.

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Robotische Einsatzgebiete heute und in Zukunft

Was können aktuelle Industrieroboter besonders gut? Es ist eine ganze Reihe von Einsatzszenarien, die in vielen Unternehmen von Bedeutung sind:

• Verschiedene Arbeiten aus dem Bereich Montage, Demontage, Bestücken usw.
• Automatisierung im Baugewerbe
• Die Zusammenarbeit mit anderen Maschinen. Beispielsweise Be- und Entladen, verschiedene Oberflächenbehandlungen etc.
• Füge- und Trennarbeiten. Vor allem verschiedenste Schweiß- und Löttechniken, Schleifen und das Schneiden mit Laser, Wasserstrahlen und artverwandten Techniken.
• Logistische Arbeiten zwischen Kommission, Verpackung und Palettierung.

Dadurch sind Industrieroboter bereits heute dazu in der Lage, in vielen verschiedenen Firmen Arbeiten zu übernehmen. Durch die gesunkenen (und ständig weiter sinkenden) Preise werden diese Helfer zudem immer interessanter für Firmen aus dem Bereich der kleinen und mittleren Unternehmen (KMU). Diese haben einerseits oftmals keine große finanzielle Leistungsfähigkeit, leiden andererseits jedoch besonders stark unter dem Fachkräftemangel.

Aus diesen Gründen lassen sich kaum einzelne Industriebereiche absehen, die in Zukunft einen verstärkten Einsatz von Robotern erleben werden. Da diese Systeme insgesamt immer günstiger, leistungsfähiger und gleichzeitig simpler werden, ist vielmehr davon auszugehen, dass nicht nur die gesamte Fertigung, sondern zahlreiche darüberhinausgehende Branchen in den kommenden Jahren eine „Roboterisierung“ erfahren werden. Folgende Szenarien sind deshalb absolut denkbar:

• Autowerkstätten, in denen robotische Werkzeugwagen den Mechatronikern auf Zuruf oder durch eigene Sensoren erkennend die passenden Werkzeuge und Diagnosegeräte anreichen.
• Hotels, in denen Putzroboter besonders unangenehme Reinigungsaufgaben übernehmen, während menschliche Raumpfleger sich auf weniger anstrengende Arbeiten fokussieren können.
• Wartungsroboter, die an großen Geräten und Systemen wiederkehrende und vor allem sicherheitsrelevante Aufgaben erledigen oder wenigstens prüfen – beispielsweise bei der Wartung von Zügen und Passagierflugzeugen.

Den reinen Industrieroboter wird es wohl auch in Zukunft noch geben. Allerdings lässt sich bereits heute eine starke Durchmischung mit anderen Anwendungsbereichen erkennen, wodurch die originären Trennlinien wie „Industrieroboter hier, Serviceroboter dort“ immer mehr verwischen werden.

Insbesondere, da Roboter immer besser dazu in der Lage sind, sich selbst zu steuern, sind hier verschiedene Szenarien denkbar, in denen derselbe Roboter verschiedene Aufgaben wahrnimmt. So könnte dasselbe Gerät beispielsweise in einem fertigenden Industriebetrieb zunächst angelieferte Teile vom LKW entladen, damit hernach die Fertigungsmaschinen bestücken und anschließend das Verpacken, Palettieren und Aufladen auf einen weiteren LKW übernehmen.

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Zusammenfassung und Fazit

Der Industrieroboter ist keine wirklich neue Erfindung. Durch verschiedene technische Limitierungen war er jedoch beinahe bis in unsere Gegenwart lediglich ein Helfer für eng umrissene Aufgaben, die sich vor allem in der Großindustrie fanden. Dazu trugen nicht zuletzt die enormen Anschaffungskosten und die geringe Flexibilität bei.

Derzeit allerdings, und nach Ansicht mancher Experten durch die Pandemie verstärkt, erleben Roboter eine Maximierung ihrer Fähigkeiten bei gleichzeitiger Reduktion der Kosten. Dementsprechend steigen seit einiger Zeit die Zahlen ausgelieferter Roboter beinahe jährlich und vor allem dramatisch an.

Künftig wird jedoch durch die gesteigerten Fähigkeiten der klassische Industrieroboter nur eine von vielen Möglichkeiten sein. Insbesondere in der Zusammenarbeit mit menschlichen Mitarbeitern ist hier ein sehr großes Potenzial vorhanden – wodurch es vielleicht schon in einigen Jahren in vielen Branchen und Unternehmen normal geworden sein wird, zu Schichtbeginn den „Kollegen Roboter“ symbolisch zu begrüßen.