Die Roboter kommen

...wenn wir vorher noch ein paar Details klären!

Industrieroboter sind äußerst effektiv, um hochwertige, sich wiederholende und oft sicherheitsgefährdende Prozesse zu automatisieren, z.B. die Handhabung schwerer Gussteile oder das Schweißen von Karosserienähten in der Fahrzeugproduktion. Auch für kleine und mittelständische Unternehmen, die flexible Hilfe bei wechselnden prozessorientierten Aufgaben benötigen, bieten sie Vorteile. Das einzige Problem mit Industrierobotern ist sie eineusetzen.

Trotz der damit verbundenen Herausforderungen, auf die wir in Kürze näher eingehen, hat sich die Einführung von Robotern in den letzten Jahren beschleunigt, insbesondere in den USA, wo die Nachfrage nach Robotern wächst, da die Unternehmen immer mehr in die Automatisierung investieren.

Laut der amerikanischen Association for Advancing Automation (A3) waren die Gesamtbestellungen für Roboter in den USA im ersten Quartal 2021 um 20% höher als im gleichen Quartal 2020. Unternehmen in der Metallverarbeitung gaben 86% mehr für Roboter aus, Unternehmen in den Biowissenschaften und der Pharmazie 72% mehr, Unternehmen in der Lebensmittel- und Konsumgüterindustrie 32% mehr und der Rest der nicht automobilbezogenen Industrie gab insgesamt 12% mehr aus. Die Zahlen der A3 zeigen auch, dass 2020 das erste Jahr war, in dem Unternehmen außerhalb der Automobilbranche mehr für Robotik ausgaben als die Autohersteller.

Anlässlich der Veröffentlichung der Ergebnisse im Mai 2021, erklärte Jeff Burnstein, Präsident der A3:

„Während Fortschritte in der Robotik, die Benutzerfreundlichkeit und neue Anwendungen nach wie vor wichtige Faktoren für die Einführung von Robotern sind, ist der Arbeitskräftemangel in der Fertigung, Lagerhaltung und anderen Branchen ein wesentlicher Faktor für die derzeitige Ausweitung des Robotereinsatzes. Corona hat die Automatisierungswelle nicht ausgelöst, aber sicherlich Trends beschleunigt, die bereits im Gange waren.“

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Hagen Götze

Senior Director Marketing, Avnet Abacus

VISION DER E-INDUSTRIE 4.0

Ein Grund für die Diskrepanz zwischen unserer Einschätzung des Werts von Industrierobotern und ihrem tatsächlichen Nutzen mag in der 2011 von der Bundesregierung eingeführten Industrie-4.0Strategie liegen. Damit soll die Fertigung verbessert werden, indem Brücken zwischen der physischen Welt der Produktionslinien und der digitalen Welt der Arbeitsplanung, Anlagenüberwachung, statistischen Qualitätskontrolle und vorausschauenden Wartung geschlagen werden. Im Rahmen einer Industrie-4.0-Strategie würden sich Fertigungseinrichtungen unaufhaltsam zu „intelligenten Fabriken“ (Smart Factories) entwickeln, in denen jede physische Aktion an den Produktionslinien mit Echtzeit-Datenerfassung, fortschrittlichen Analysen und Handlungsaufforderungen abgeglichen wird. Diese werden von Cloud-basierten Rechnern verarbeitet, die über robuste Kommunikationsnetze verfügen.

Für viele ist dies immer noch Zukunftsmusik. Ein Forschungsbericht über den Status und die Zukunft der Industrierobotik, der im November 2020 von der Interactive Robotics Group am MIT veröffentlicht wurde, legte einige Gründe dar, warum dies so ist.

DIE HERAUSFORDERUNG DER INTEGRATION

Eine der größten Herausforderungen beim Einsatz von Industrierobotern ist deren Integration in die Fertigungslinien. Industrieroboter sind oft große, schnelle und leistungsstarke Maschinen, die zum Schutz der Mitarbeiter eingezäunt werden müssen, wodurch bestehende Arbeitsabläufe gestört werden.

Das Programmieren von Industrierobotern kann sich als schwierig erweisen: Der Industrie fehlt eine gemeinsame Sprache, mit der die Bewegung von Robotern programmiert werden kann. Jeder Hersteller hat in der Regel seine eigene Benutzeroberfläche, und selbst die manuellen Steuerungen unterscheiden sich. Dies macht das Programmieren von Robotern zu einer derartigen Spezialität, dass sie oft an externe Integratoren ausgelagert wird, deren Arbeit mehr kosten kann als der Roboter selbst. Muss die programmierte Funktion geändert werden, z.B. weil sich ein Bauteil geändert hat, müssen die Unternehmen diese Integratoren erneut hinzuziehen, um die Anpassung vorzunehmen.

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Einige in der Branche schlagen sogar vor, „Robots as a Service“ anzubieten, so dass Unternehmen den Aufwand, Roboter für sich arbeiten zu lassen, auslagern können.

HERAUSFORDERUNGEN DER SMART FACTORY

Selbst Unternehmen, die Industrieroboter einsetzen, stehen anderen Teilen der Smart-Factory-Strategie skeptisch gegenüber, wie z.B. dem industriellen Internet der Dinge (IIoT). Sie machen sich Sorgen um den Datenschutz, die Sicherheit und die Kontrolle über ihre Daten. Fertigungseinrichtungen, die das IIoT zur Überwachung von Roboterproduktionslinien nutzen, müssen ein extrem robustes Kommunikationsnetzwerk implementieren, um alle verteilten Sensoren und Aktoren zu erreichen.

Als beispielsweise Ocado, ein Unternehmen für die Automatisierung von Lebensmittellieferungen und FulfilmentZentren, die Kommunikation für seine großen Roboterlager bereitstellen wollte, installierte es ein privates 4G-Netzwerk.

Es gibt auch Bedenken hinsichtlich Cloud Computing zum Sammeln, Speichern, Bereinigen und Analysieren von Daten für eine Smart Factory. Das Versprechen von Cloud Computing ist, dass es wie ein Dienstprogramm Rechenleistung auf Abruf bereitstellt. Die Realität ist, dass Cloud-Computing-Systeme jedoch Schwierigkeiten bereiten können, die unternehmenskritisch werden, wenn es um die Verwaltung einer Fertigungslinie geht. Das eigentliche Problem ist jedoch, dass das Sammeln vieler Daten nicht dasselbe ist wie das Gewinnen umsetzbarer Erkenntnisse. Die Geschäftsleitung mag sich angesichts der Kosten für die Implementierung der Infrastruktur, die einen eigenständigen Roboter in einen Teil einer Smart Factory integriert, fragen: „Wo ist die Rendite meiner Investition?“

DIE COBOT-ALTERNATIVE

Eine Alternative ist der kollaborative Roboter (Cobot), der es Menschen und Robotern ermöglicht, enger zusammenzuarbeiten, ohne die Sicherheit der Mitarbeiter zu gefährden. Cobots sind in der Regel kleinere, leichtere Roboterarme, die für eine geringere Masse ausgelegt sind und sich langsamer bewegen als eigenständige Roboter. Viele dieser Arme verfügen über Sensoren, so dass sie ihre Bewegung stoppen, wenn sie auf ein Hindernis stoßen, z.B. ein menschliches Körperteil. Dazu können passive Kontaktsensoren, Licht- oder Laservorhänge, Näherungssensoren im Arbeitsbereich oder sogar kapazitive „Häute“ gehören. Dieser Ansatz, der von Bosch Rexroth in seinen APAS Production Assistant Cobots verwendet wird, kann Personen in seinem Arbeitsbereich berührungslos erkennen und den Betrieb des Cobots verlangsamen oder stoppen. Wenig überraschend gibt es einen ISO-Standard (ISO/TS 15066), der Sicherheitsanforderungen für kollaborierende Roboter definiert.

„Einige in der Branche schlagen sogar vor, ‚Roboter als Dienstleistung‘ anzubieten, so dass Unternehmen den Aufwand, Roboter für sich arbeiten zu lassen, auslagern können.“

Ein Cobot arbeitet mit einem Bediener an einem Fließband zusammen, um die Produktivität zu steigern.

Cobots bringen ähnliche Herausforderungen bei der Programmierung mit sich wie größere Roboter, aber ihre Größe und Zugänglichkeit vereinfachen es, sich mit ihnen vertraut zu machen und sie schnell an neue Aufgaben anzupassen.

FAHRERLOSE TRANSPORTSYSTEME

Automated Guided Vehicles (AGVs) sind eine wichtige Unterart von Robotern, die sich durch Fabrikhallen bewegen, um Material unter eigener Kontrolle zu transportieren. Dabei kommen Sensoren zum Einsatz, um den Weg zu finden und Hindernissen auszuweichen. Die gute Nachricht ist, dass die Arbeit an der Entwicklung selbstfahrender (autonomer) Fahrzeuge den Stand der Technik bei wichtigen Konzepten wie simultaner Ortung und Kartierung vorantreibt und die Entwicklung fortschrittlicherer Sensorik wie Time-of-Flight (ToF) und LiDAR fördert.

Die weniger gute Nachricht ist, dass es aufgrund fehlender Standards schwieriger wird, eine Flotte von AGVs mehrerer Hersteller als Gruppe zu verwalten.

GRUNDLAGENTECHNIK

Wie das Beispiel AGV zeigt, werden Standards, die einen gemeinsamen Ansatz für Entwicklungsfragen wie Programmierung, Kommunikation und Zusammenarbeit bieten, eine wichtige Grundlage für zukünftige Robotik sein.

Es gibt bereits erste Bemühungen: Das Open-Source Robot Operating System (ROS) ist eine Sammlung von Tools, Bibliotheken und Konventionen, die bei Einzeleinrichtungen und in der Wissenschaft beliebt ist, um komplexe und robuste Roboterverhaltensweisen auf einer Vielzahl von Roboterplattformen zu erstellen.

Das ROS begründet das Projekt so: „Warum? Weil es schwierig ist, wirklich robuste, universelle Robotersoftware zu entwickeln. Aus der Perspektive des Roboters variieren Probleme, die für Menschen trivial erscheinen, oft stark zwischen einzelnen Aufgaben und Umgebungen. Der Umgang mit diesen Variationen ist so schwierig, dass keine einzelne Einrichtung, kein Labor oder keine Institution hoffen kann, dies allein zu schaffen. Deshalb wurde ROS von Grund auf neu entwickelt, um die kollaborative Entwicklung von Robotik-Software zu fördern.“ Technologie im Detail

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„Die andere wichtige Grundlagentechnik ist die Sensorik, die alles können muss – von der Überwachung des Batteriestatus eines AGV bis hin zur Unterstützung der Mikropositionierung eines Robotermanipulators, damit dieser ein Bauteil aufnehmen kann.“

OMRON EMC’s B5L sensor

Die andere wichtige Grundlagentechnik ist die Sensorik, die alles können muss – von der Überwachung des Batteriestatus eines AGV bis hin zur Unterstützung der Mikropositionierung eines Robotermanipulators, damit dieser ein Bauteil aufnehmen kann. Solche Sensoren müssen robust und hochpräzise sein, eine lange Lebensdauer bieten und unter sich schnell ändernden Umgebungsbedingungen konsistente Ergebnisse liefern.

Die Autoren des MIT-Berichts stellten beispielsweise fest, dass einige fortschrittliche Bildverarbeitungssysteme für Roboter unter Laborbedingungen gut funktionierten, aber bei der unterschiedlichen Beleuchtung einer realen Fertigungslinie versagten. Eine Antwort darauf besteht darin, Infrarot-/IRLaufzeitsensoren wie den B5L von OMRON EMC (siehe oben) zu verwenden, um Entfernungen zu Objekten zu messen und 3D-Modelle ihrer Position im Raum zu erstellen. Der Sensor ist so konzipiert, dass er die Auswirkungen unterschiedlichen Umgebungslichts unterdrückt und vor gegenseitiger Beeinflussung geschützt ist, sodass sich bis zu 17 Einheiten eine Arbeitsumgebung teilen können.

Wie erwähnt, sind bessere Sensoren jedoch nur dann von Nutzen, wenn sie durch eine Kommunikations-, Computer- und Entscheidungsinfrastruktur unterstützt werden, die Daten schnell genug aufnehmen, analysieren und darauf reagieren kann, um dem Roboter einen praktischen Vorteil zu verschaffen.

Fazit

Industrierobotik hat eine lange Reihe erfolgreicher Anwendungen, insbesondere in der Automobilindustrie. Sie steht jedoch noch immer vor denselben Problemen wie früher, z.B. dem Verständnis der Position von Objekten im Raum und der Programmierung der Roboter, um diese Objekte aus der Ferne einzuschätzen. Es gibt zwar Wege und Strategien für eine breitere Anwendung der Robotik, aber um sie in die Realität umzusetzen, müssen noch viele Details an mehreren Fronten geklärt werden.