Servicerobotik

Wenn Roboter kuscheln

Erstmals wird die Automatica dem Thema Servicerobotik einen eigenen Ausstellungsbereich widmen. Hier wird gezeigt, dass Serviceroboter - wie etwa MRK-geeignete Industrieroboter - heute ihr Umfeld erfassen und interpretieren können, lernfähig sind und sich selbst von Laien für neue Aufgaben instruieren lassen. Gesteuert durch Sprach- oder Gestensteuerung übernehmen sie an der Seite des Menschen flexibel und autonom komplexe Aufgaben und führen Handlungen individuell aus. SCOPE-Chefredaktuer Hajo Stotz zeigt, wohin der Weg des Menschen den Roboter führt, und erklärt, warum auch Internet-Gigant Google am Robotermarkt interessiert ist.

Welchen Reifegrad das Thema Mensch-Roboter-Kollaboration hat, zeigen Kuka und andere Roboterhersteller auf der diesjährigen Automatica.

Exakt 7,5 Minuten – soviel Zeit bleibt den drei Pflegerinnen in der Frühschicht für sage und schreibe 37 Patienten! Das dokumentierte die RTL-Sendung „Undercover“ kürzlich. Keine acht Minuten für Toilettengang, Waschen, Anziehen und Füttern; allein die nackten Zahl lassen vor dem inneren Auge des Betrachters ein zweifelhaftes Bild von den Zuständen in vielen Pflegeheimen entstehen. Besserung ist angesichts der Altersentwicklung der Gesellschaft und ihrer gleichzeitig geringen Bereitschaft, Pflegedienste fair zu bezahlen, nicht in Sicht – im Gegenteil.

„Wenn Sie heute bei VW in die Produktion schauen, dann sind 50 Prozent der Mitarbeiter zwischen 45 und 55 Jahre alt. In zehn Jahren werden 40 Prozent der Mitarbeiter zwischen 55 und 65 Jahre alt sein“, weiß Manfred Gundel, Vorsitzender der Geschäftsführung von Kuka Roboter. Und die alternde Belegschaft ist kein VW-spezifisches Problem, jeder Betrieb in Deutschland ist von der Entwicklung betroffen. Denn die Deutschen werden immer älter. Bis 2025 wird die Zahl der über 80-Jährigen in Deutschland um 70 Prozent zunehmen. Im Vergleich zu 2010 verdoppelt sich der Anteil der Hochbetagten an der Gesamtbevölkerung damit geradezu.

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Vor allem für produzierende Betriebe wird das zu einer wachsenden Herausforderung, auch wenn sich die meisten Firmen – im Gegensatz etwa zu VW, die bereits spezielle Gesundheitstrainer für die ältere Belegschaft beschäftigen – nicht mit dem Thema auseinandersetzen wollen und die Politik gerade die Rente mit 63 einführt: Verschiedenen Studien zufolge sinkt bis 2020 der Anteil der 20- bis 34-Jährigen am insgesamt kleiner werdenden Mitarbeiterpotenzial auf 30 Prozent; im Gegenzug steigt der Anteil der 50+ auf fast 40 Prozent. Das wird besonders in der Industrie zu Problemen führen: Denn heute erfolgt bereits mit durchschnittlich 43 Jahren der Austritt aus der Akkordarbeit, Schichtarbeiter hören im Schnitt mit 45 mit Schichtarbeit auf.

Eine weitere gesellschaftliche Entwicklung ist der zunehmende Pluralismus der Lebensstile – was eine wachsende Nachfrage nach individuell zugeschnittenen Produkten und Dienstleistungen zur Folge hat. Für die Industrie bedeutet dies, immer kundenspezifischer, variantenreicher und in kleineren Losgrößen bis herunter zu Stückzahl 1 zu produzieren – und dies wirtschaftlich und in gleichbleibend hoher Qualität. Um das zu ermöglichen, müssen die Anlagen immer flexibler und „intelligenter“ werden – was die bisher in der Serienfertigung favorisierten, vollautomatisierten Lösungen nur mit großem Aufwand bieten können. Selbst in der Automobilindustrie, jener Branche, in der die Serienfertigung erfunden wurde, sind wegen der unzähligen Varianten, in denen ein Modell heute bestellt werden kann, immer flexiblere Konzepte gefragt. Im allgemeinen Maschinenbau war der Vollautomatisierungsgrad auf Grund des höheren Anteils an kundenspezifischen Lösungen immer geringer als in der Automobilindustrie; teilweise werden Maschinen noch heute in Handarbeit montiert. „Die Handarbeit bietet eine hohe Flexibilität, aber eine geringe Produktivität“, erläutert Manfred Gundel, „während die vollautomatisierte Serienfertigung eine hohe Produktivität erreicht – mit dem Manko mangelnder Flexibilität.“ Industrie 4.0 werde es zukünftig möglich machen, dass Mensch und Maschine nebeneinander zusammenarbeiten und in der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) Produktivität mit Flexibilität vereinen.

Was haben nun Altenpflege und immer ältere Mitarbeiter mit steigender Flexibilität und immer kleineren Stückzahlen in der Fertigung zu tun? Die Beispiele zeigen: Bestehende Märkte für Industrie- und Serviceroboter werden in den nächsten Jahren enorm anwachsen, und zudem werden neue, schnell wachsende Märkte, etwa im Gesundheits- und Pflegebereich, entstehen. „Die Robotik Industrie blickt in eine rosige Zukunft“, erklärte dementsprechend auch Dr. Shinsuke Sakakibara, Präsident der International Federation of Robotics (IFR), anlässlich der Vorstellung der Studie „World Robotics – Industrial Robots“ im letzten Jahr. Das IFR erwartet zwischen 2014 und 2016 einen weltweiten Anstieg des Roboterabsatzes von durchschnittlich sechs Prozent pro Jahr. In 2016 wird ein Jahresabsatz von mehr als 190.000 Industrierobotern erwartet. Noch wesentlich mehr Wachstumspotenzial bieten aber Service-Roboter: Mit 30 Prozent Wachstum pro Jahr könnte der Markt der Service-Robotik bis 2020, der heute auf 17 Milliarden Euro geschätzt wird, 100 Milliarden Euro erreichen. „Es besteht kein Zweifel: Die Entwicklungsdynamik der Servicerobotik hat in den zurückliegenden zwölf Monaten einen neuen Höhepunkt erreicht“, konstatiert Dr. Roko Tschakarow, Business Director für Mobile Greifsysteme bei dem Greiftechnik-Hersteller Schunk. „Gerade in intelligenten, mobilen Anwendungen steckt erhebliches Potenzial.“

Viele Experten sind zudem überzeugt, dass die Grenzen zwischen Service- und Industrierobotik zukünftig mehr und mehr verschwimmen. Die Anforderungen an die Roboterfähigkeiten sind ähnlich: einfach zu bedienen und sicher in der Zusammenarbeit mit dem Menschen. Sind diese Anforderungen erfüllt, ergebe sich für Roboterlösungen ein gewaltiger Wachstumsmarkt, wie auch Dr. Claus Risager, Direktor des dänischen Herstellers Blue Ocean Robotics, erklärt. „90 Prozent der Produktionsunternehmen haben keine Roboter in der Produktion“, sagte Risager bei seinem Vortrag bei den Expert Days von Schunk. Ganz zu schweigen vom Serviceroboter-Bereich, wie Dr. Roko Tschakarow erklärt: „Viele Menschen, die Serviceroboter in Zukunft selbstverständlich nutzen werden, haben heute noch keinerlei Bezug zur Robotik.“

Den gewaltigen Wachstumsmarkt hat auch ein Konzern erkannt, der auf den ersten Blick so gar nichts mit Robotern zu tun hat: Google. Nachdem der Internet-Gigant bereits vor Jahren in die Entwicklung und den Bau von selbstfahrenden Auto-Robotern eingestiegen ist, hat er im Laufe der letzten Monate acht Unternehmen aufgekauft, die sich allesamt mit Roboterprojekten beschäftigen oder etwa Greifer oder Vision-Systeme entwickeln. Innerhalb von zehn Jahren will Google unter der Regie von Smartphone-Erfinder Andy Rubin eigene Roboter auf den Markt bringen, wie er der New York Times sagte. Für Rubin ist das Thema nicht neu: Er arbeitete bereits vor seiner Zeit bei Apple für Carl Zeiss als Roboteringenieur. Rubins Team will sich zunächst auf die Entwicklung von Robotern konzentrieren, die in der Herstellung von Elektronikprodukten eingesetzt werden könnten. Hier werde zu einem großen Teil bisher noch manuell zusammengesetzt. Realistisch sei es, bestimmte Teile der Fertigungskette durch Roboter zu ersetzen, sagte Rubin der NYT. Auch das Einsammeln von Waren in Lagerhäusern ließe sich mit Robotern automatisieren. Am Ende könnte dann eine komplett automatisierte Auslieferung stehen.

Automatisierte Auslieferung

Doch auch die deutsche Industrie schläft bei dem Thema nicht, und eine komplett automatisierte Auslieferung - zumindest bis zum Ausgangslager - hat beispielsweise auch der Sägen- und Lagerhersteller Kasto entwickelt. Die Kastosort organisiert dezentral und durchgängig das gesamte Sägeabschnitt-Handling ab der Sägemaschine. 60 Anlagen sind bereits bei den Kunden im Einsatz. Zentrale Elemente der Kastosort sind ein ABB-Industrieroboter mit Wechselgreifer-System sowie ein Paletten-Umlaufmagazin. Das Wechselgreifer-System wurde von Kasto entwickelt. Durch die modulare Konzeption ist eine kundenindividuelle Konfiguration möglich. Die Kombination aus Kasto-Sägemaschine und Kastosort arbeitet mannlos und autonom. "Sobald der Behälter fertig gefüllt ist, wird von unserer Steuerung an das FTS-System ein Fahrauftrag gegeben", erläutert Sönke Krebber, Leiter der Abteilung Neuentwicklungen bei Kasto. "Das FTS-System bringt die Palette autonom zu der nächsten Bearbeitungsstation oder ins Lager. Das hat den Vorteil, dass wir das FTS-System einfahren können, während der Roboter noch arbeitet. Damit haben wir keinerlei Standzeiten. Bei einem Mensch müsste naürlich sofort abgeschaltet werden."

Bisher – doch nun kommen die ersten Roboter auf den Markt, die im laufendem Betrieb mit Menschen an einem Werkstück zusammenarbeiten können. Der von Bosch auf der Hannover Messe vorgestellte Automatische Produktionsassistent (Apas) hat eine kollisionsverhindernde „Sensorhaut“ und ist als erstes Robotersystem für Industrieanwendungen – ohne weitere Schutzeinrichtungen – für die Zusammenarbeit mit Menschen von der deutschen Berufsgenossenschaft zertifiziert. Dank der Sensorhaut spürt der Roboter, wenn sich jemand nähert, und bremst ab. Bei fünf Zentimetern Abstand kommt der Roboterarm zum Stehen. Als flexible Lösung im Bereich der Automatisierung von Handarbeitsplätzen und Kleinserienfertigung unterstützt der Assistent die Mitarbeiter vor allem bei anstrengenden, eintönigen oder schmutzigen Arbeiten. Durch seine Rollen ist er schnell an verschiedenen Orten einsetzbar. Eine exakte Ausrichtung ist nicht erforderlich. Bosch erhielt für Apas den Robotics Award.

Da will natürlich Deutschlands größter Roboterhersteller Kuka das Feld der mobilen Industrie- und Serviceroboter nicht der neuen und alten Konkurrenz kampflos überlassen und präsentierte kurz nach der Hannover Messe den Leichtbauroboter (LBR) „iiwa“. Die Abkürzung steht für „intelligent industrial work assistant“ und zeigt die Richtung, die auch Kuka einschlagen will: Die Roboter sollen nicht mehr hinter Schutzzäunen ihre Arbeit verrichten, sondern in Kooperation mit den menschlichen Kollegen. „Kernelement für die MRK sind Kraftsensoren in den Gelenken des Arms, die Widerstände registrieren und die Bewegung sofort stoppen können“, erläuterte Kuka-Roboter-Boss Manfred Gundel beim Pressetermin und stoppte den Roboter mit der bloßen Hand. Im Rahmen eines Erprobungsprojektes setzt Siemens den iiwa in der Produktion von Elektromotoren in Bad Neustadt ein: Als Springer bei Auslastungsspitzen und Ressourcenengpässen kann er die Produktion unterstützen – die sogenannte spontane Automatisierung. Den serienreifen iiwa präsentiert Kuka auf der Automatica in München (3. bis 6. Juni 2014) und zeigt anhand verschiedener Applikationsbeispiele, welchen Reifegrad das Thema Mensch-Roboter-Kollaboration erreicht hat.

Emotionsbrücken aufbauen

Dass sich dabei nicht nur die Roboter dem Menschen anpassen, sondern auch der Mensch sein Verhalten ändert, wenn Serviceroboter eingesetzt werden, zeigen konkrete Beispiele: So wird ein Robben-Roboter aus Japan dazu eingesetzt, Emotionsbrücken zu Demenzkranken aufzubauen. Der weiße Plüschroboter ist mit Sensoren ausgestattet, reagiert auf Stimmen, ruft wie eine Robbe, öffnet die Augen und legt seinen Kopf wie ein Kind auf die Brust: So löst der kleine Roboter bei den Erkrankten positive Gefühle aus und holt sie zurück in die Realität. Die japanische Erfindung setzt sich auch in Deutschland immer mehr durch. Vor dem Hintergrund dieser Entwicklungen ist es wahrscheinlich kein allzu fernes Zukunftszenario, dass Roboter die überlasteten Pflegekräfte in Alten- und Pflegeheimen beim Waschen, Anziehen und Füttern unterstützen. Und den Patienten hoffentlich mehr Zeit widmen können als 7,5 Minuten. Hajo Stotz

Tiefgreifendes Verständnis vermitteln

Allgemeines Ziel des "Handbuchs Robotik" von Matthias Haun ist, den Roboter als kognitives Modell und damit als wissensbasierten Agenten zu konzeptionalisieren und dieses Agentenmodell durch rechnerbasierte Technologien in prozessualer und funktionaler Hinsicht zu einem kognitiven Robotersystem auszugestalten. Indem die einzelnen Kapitel einen Brückenschlag zwischen Standardwissen und Wissen aus Nachbargebieten, wie Kognitionswissenschaft oder Informatik darstellen, versucht dieses Handbuch ein tiefgreifendes Verständnis des komplexen Themengebietes Robotik zu ermöglichen.
Matthias Haun, Handbuch Robotik, 2013, 2. überarb. u. aktualis. Aufl., XVI/604 S. m. 150 SW-Abb., 43 Farbabb, Springer Berlin, ISBN 978-3-642-39857-5, 109,99 Euro.

MV-Gefahr gebannt

Je 'intelligenter' der Roboter umso mehr Sensoren - die Gefahr von EMV-Ausfällen steigt. Lapp-Market Manager Robotics Frank Rothermund erklärt, wie sich das vermeiden läßt.
SCOPE: Bei Industrie- und Serviceroboter kommt es zu einem immer dichter gedrängten Nebeneinander von Versorgungsleitungen, Schweißstromversorgungen sowie für Sensor- und Steuerkabel. Zudem sind sie mit immer mehr Sicherheitssensoren und -kameras ausgestattet. Sind hier elektromagnetische Störungen, ausgelöst durch starke Magnetfelder oder Störstrahlungen bei hohen Übertragungsfrequenzen, zukünftig nicht stärker zu erwarten?
Rothermund: Absolut korrekt, durch den vermehrten Einsatz unterschiedlicher Systeme in einer kompakteren oder mobileren Bauform steigen die Herausforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit kurz EMV. Entgegenwirkend gibt es zwei Lösungsansätze: zum Einen die Erhöhung der individuellen Kabelschirmung durch Verwendung höherer Bedeckungsgrade, um die hochfrequenten Störsignale zu neutralisieren sowie bisher ungeschirmte weil unkritische Leitungen zusätzlich zu schirmen. Zum Anderen, verstärkt auf den Einsatz von EMV-unanfälligen Lichtwellenübertragungssystemen zu setzen.
SCOPE: Kommt damit die Kabelentwicklung nicht über kurz oder lang an die Grenze des Machbaren? Also Kabel zu entwickeln, die einerseits auch zukünftige, elektrische EMV-Bedingungen erfüllen und andererseits den steigenden mechanischen Anforderungen nach Wechselbiegebelastbarkeit gerecht werden?
Rothermund: Die Grenzen sind immer noch nicht erreicht. Mit den oben beschriebenen Lösungsansätzen oder konstruktiven Anpassungen lassen sich geeignete Lösungen finden. Welche das im Einzelfall ist, ergibt sich aus den Anforderungen der Anwendung. (hs)

Ohne Greifer können Roboter nichts

Roboter sind schnell, präzise und in alle Richtungen beweglich. Doch ohne entsprechende Greifer können sie diese Eigenschaften nicht umsetzen. "Roboter besitzen zwar per se alle motorischen Eigenschaften wie extreme Schnelligkeit, Präzision und Beweglichkeit. Sie können diese jedoch nicht umsetzen, solange ihnen das Wichtigste für das, was sie tun sollen, fehlt: ein maßgeschneidertes Greifsystem", betont Jan Schaare, Product Sales Manager Robotikbei Sommer Automatik. Und das steht bei der Lösung Robotools im Mittelpunkt. Denn das Greifsystem ist oft komplexer herzustellen als der Roboter selbst."
Je komplexer die Anwendung, desto eher scheinen viele Anwender den Weg in die eigene Werkstatt zu bevorzugen. Doch die vermeintliche Kosten- und Funktionssicherheit im eigenen Haus ist häufig "eher schöngerechnet", warnt der Greiferspezialist. "Bei uns werden die kundenspezifischen Greifsysteme von vier Projektierern, 16 Konstrukteuren und einem Konstruktionsleiter mit zusammen mehr als 100 Konstruktions-Jahren Erfahrung entwickelt. So viel Knowhow hat kein Anwender im eigenen Haus."
Die Zimmer-Greifer setzt beispielsweise auch der Roboterhersteller Kuka ein, um eine Werkzeugmaschine mit verschiedenen Bauteilen zu versorgen. In der Nebenzeit wird noch entgratet. Werkzeugwechsler sorgen dabei für die nötige Flexibilität. Dazu Florian Hofmann, Leiter Zerspanung bei Kuka Augsburg: ¿Unsere Produktivität ist um zehn Prozent gestiegen. Verglichen mit einer konventionellen Lösung können wir jährlich 300 Komponenten mehr bearbeiten."

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