Schmuckbild Industrieroboter

So stellt man sich heute einen Roboter vor. Die Maschinen erfüllen einen lange gehegten Menschheitstraum und wurden tatsächlich nach Romanfiguren benannt. - Bild: Pixabay

| von Wolfgang Kräußlich

Wenn heute von modernem Arbeiten gesprochen wird, dann hört man häufig die Begriffe Digitalisierung und Künstliche Intelligenz, doch fast ebenso oft ist von Robotern die Rede, die unsere Arbeitswelt verändern werden. Doch was ist eigentlich ein Roboter? Warum heißt er so und wann wurde zum ersten Mal ein Roboter gebaut? Und vor allem: Welche Arten von Robotern gibt es und wofür lassen sie sich einsetzen? Wenn Sie mit dem Gedanken spielen, einen Roboter einzusetzen, sollten Sie wissen, mit was für einer Maschine Sie es zu tun haben.

Was sind Roboter?

Die Antwort auf diese Frage ist gar nicht mal so einfach, denn es gibt keine einheitliche Definition. Dabei begegnet uns der Begriff Roboter in der letzten Zeit recht häufig: Rasenmäherroboter, Staubsaugerroboter, Spielzeugroboter, soziale Roboter für Rentner oder ein Roboterhund. In der Computerwelt findet sich die Kurzform 'Bot' in sogenannten Chatbots oder den Google-Bots, die Webseiten durchforsten. Auch die Kamera-Drohne oder autonomes Fahren wird immer wieder hier einsortiert. Und dann gibt es natürlich noch die Industrieroboter, die man vor allem aus der Autoindustrie kennt. Allen gemein ist, dass sie etwas automatisch machen.

Ist also jede automatische Maschine ein Roboter? Nein. Eine Maschine ist zunächst einmal ein angetriebenes (motorisiertes) Werkzeug, das vom Menschen gesteuert wird. Eine Bohrmaschine ebenso wie das Automobil oder eine Kaffeemaschine.

Verwirrter Roboter
Was ist eigentlich ein Roboter? Die Definitionen hierzu sind leider nicht eindeutig. - Bild: Pixabay

Ein Automat ist eine Maschine, die eine spezielle Aufgabe selbsttätig durchführen kann, aber eben nur diese. So kann der Kaffeeautomat selbsttätig Kaffee brühen, aber sonst nichts. Und ein CNC-Fräsautomat kann zwar programmiert werden, aber am Ende kann er nur fräsen. Wird dieser spezielle Arbeitsvorgang nicht mehr benötigt, ist ein Automat nutzlos.

Ein Roboter auf der anderen Seite ist programmier- und umrüstbar und dadurch für eine große Zahl an Aufgaben einsetzbar. Die Besonderheit eines Roboters ist seine Flexibilität. Wo ein Automat nur den vordefinierten Arbeitsvorgang wiederholen kann, kann ein Roboter so umprogrammiert werden, dass er greift oder montiert, aber auch so, dass er schweißt, bohrt oder klebt – und noch vieles mehr.

Ein paar Definitionen gibt es doch, wer also etwas Amtsdeutsch möchte: Laut VDI-Richtlinie 2860 sind Industrieroboter universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkel frei programmierbar und zuweilen sensorgeführt sind. Nach der europäischen Norm EN 775 ist ein Roboter ein automatisch gesteuertes, wiederprogrammierbares, vielfach einsetzbares Handhabungsgerät mit mehreren Freiheitsgraden, das entweder ortsfest oder beweglich in automatisierten Fertigungssystemen eingesetzt wird.

Kurz gesagt: Ein moderner Roboter kann (fast) alles, was ein menschlicher Arm auch kann. Wenn man ihm das passende Werkzeug an die Hand gibt.

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Bild: Adobe Stock/Val Thoermer

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Woher kommt der Name „Roboter“?

Das ist klar belegt: Der Begriff Roboter leitet sich vom tschechischen/slawischen Wort Robota ab, was so viel wie Arbeit oder Fronarbeit bedeutet. Der tschechische Schriftsteller Karel Čapek bezeichnete Maschinenmenschen erstmals als Robot, und zwar im 1920 veröffentlichten Theaterstück „R.U.R. – Rossum‘s Universal Robots“.

Isaac Asimov
Isaac Asimov wurde mit seinen Weltraum- und Roboter-Romanen weltweit berühmt. - Bild: Robotic Industries Association

Dieser Name wurde vom russisch-amerikanischen Science-Fiction-Autoren Isaac Asimov in seinen Kurzgeschichten und Romanen aufgenommen und trat von hier aus seinen weltweiten Siegeszug an. Asimov war es auch, der 1942 in der Geschichte 'Runaround' jene drei Robotergesetze erfand, die im übertragenen Sinne bis heute für Roboter gelten:

  1. Ein Roboter darf kein menschliches Wesen verletzen oder durch Untätigkeit zulassen, dass einem menschlichen Wesen Schaden zugefügt wird.
  2. Ein Roboter muss von Menschen gegebenen Befehlen gehorchen – es sei denn, der Befehl würde mit Regel eins kollidieren.
  3. Ein Roboter muss seine Existenz beschützen, solange dieser Schutz nicht mit Regel eins oder zwei kollidiert.

Allerdings: Da der Begriff Roboter aus Theaterstücken und Romanen stammt, prägten die Storys auch das Bild: Lange Zeit verstand man unter Roboter nur Apparate mit menschlichem Aussehen (auch Androiden genannt), die den Menschen bei verschiedenen Aufgaben unterstützten, oft aber auch bedrohten. Den liebenswerten Robotern C3-PO aus Star Wars oder Disney’s Wall-E stehen regelmäßig bösartige Maschinen wie der Terminator entgegen.

Star Wars Roboter
R2-D2 und C3-PO aus Star Wars: Lange Zeit prägten Roman- oder Kinofiguren das Bild vom Roboter. - Bild: Pixabay

In der realen Welt kam dann ab 1959 alles ganz anders, siehe unten – und seither sehen die meisten Roboter aus wie einarmige Banditen. Und auch wenn Menschen immer wieder dachten, die Roboter würden ihnen Arbeitsplätze wegnehmen, haben diese Maschinen der Menschheit noch nichts Böses getan.

Die Geschichte der menschenähnlichen Roboter

Joseph Engelberger
Der deutschstämmige Ingenieur Joseph Engelberger gilt als der Vater der modernen Robotik. - Bild: Robotic Industries Association

Was war der erste Roboter und wer hat ihn erfunden?

Schon immer haben Menschen Dinge erfunden, die ihnen die Arbeit erleichtern. Und der Wunsch nach einer zusätzlichen Hand, nach einem mechanischen Helfer, der nimmermüde die schweren und langweiligen Aufgaben übernimmt, ist wohl so alt wie die Menschheit selbst. Schon Aristoteles dachte bei den alten Griechen an automatisch arbeitende Maschinen. Aber es sollte noch gut 2000 Jahre dauern, bis die Welt bereit war. Rein mechanisch waren Tüftler schon im ausgehenden Mittelalter so weit, ausgeklügelte Automaten zu bauen. Aber erst die in den 1940er-Jahren erfundene Transistortechnik legte die Basis, dass diese auch wirklich programmiert werden konnten.  

Wenn wir an die heute typischen Knickarmroboter denken, kommen wir an den Namen George Devol und Joseph Engelberger nicht vorbei. Denn diese beiden entwickelten und bauten mit Unimate den ersten Roboter, der von einer Elektronik programmiert werden konnte. Bereits 1954 meldete der Erfinder George Devol das Patent für einen programmierbaren Arm an. Allerdings fehlten ihm zunächst Geldgeber, um das ehrgeizige Projekt umzusetzen. 1956 traf er bei einer Cocktailparty auf den Investor, Unternehmer, Physiker und Ingenieur Joseph Engelberger. Dieser war ein großer Fan der Robotergeschichten von Isaac Asimov und sofort bereit, in das Projekt mit einzusteigen. Engelberger machte sich mit so viel Elan an die Arbeit, dass er heute als Vater der modernen Robotik gilt.

Unimate Roboter
Der Unimate gilt als weltweit erster moderner Industrieroboter. Er wog eine Tonne und war hydraulisch betrieben. - Bild: Robotic Industries Association

1959 war es so weit: Engelberger und Devol stellten den Prototyp des Unimate vor: Eine Tonne schwer, hydraulisch betrieben und über eine Magnettrommel programmiert konnte der weltweit erste Industrieroboter rund 200 Operationen durchführen. Das machte er so gut, dass er ab 1961 bei General Motors in der Produktion eingesetzt wurde, zunächst für Handling-Aufgaben von schweren, heißen Metallteilen, ab 1966 auch zum Schweißen und Lackieren. Der Siegeszug der Robotik in der Automobilindustrie begann.

Kuka Famulus
Der Famulus war der erste Roboter der Augsburger Firma Kuka und prägte mit seiner elektromechanischen Bauweise Roboter bis heute. - Bild: Kuka

Das auch, weil 1973 die Augsburger Firma Kuka mit dem Famulus den ersten sechsachsigen und rein elektromechanisch betriebenen Roboter vorstellte – ein Bauprinzip, das bis heute wegweisend ist. Ein Jahr später stellte die schwedische Firma Asea, heute ABB, den Roboterarm IRB6 vor – zwar nur mit fünf Achsen, dafür aber erstmals mit dem Microcontroller Intel 4004, einem Computer, programmiert.

Das amerikanische Unternehmen Unimate wurde 1969 an die japanische Firma Kawasaki verkauft, und ab den 1970er-Jahren interessierten sich immer mehr japanische Firmen für die neue Technologie: Hersteller Fanuc, seit den 1950ern Pionier für NC- und später CNC-Steuerungen, entwickelte ab 1974 eigene Roboter, und Motorenhersteller Yaskawa stieg etwas später mit Motoman in die Roboterherstellung ein.

Diese vier Firmen, Fanuc, Yaskawa, ABB und Kuka, dominierten daraufhin für Jahrzehnte den Robotik-Markt, obschon sich in deren Schatten mit Firmen wie Epson, Kawasaki, Stäubli oder Denso eine ganze Reihe von Spezialherstellern etablierte.

Ab 2004 wurden spezielle Leichtbauroboter, so genannte Cobots entwickelt. Das eröffnete einen gänzlich neuen Markt, in dem sich mittlerweile etliche neue Hersteller, allen voran die dänische Firma Universal Robots, tummeln. Doch dazu weiter unten mehr.

Meilensteine der Industrierobotik

Codian Delta Roboter
Delta-Roboter.- Bild: Codian Robotics

Welche Arten von Robotern gibt es?

Aktuelle (Industrie-)Roboter gibt es in unterschiedlichsten Arten und Größen, von sehr kleinen, schnellen Geräten zur Elektroplatinenbestückung bis hin zu Kraftprotzen, die ganze Automobile anheben können.

Es gibt sie auch in unterschiedlichen Bauformen: Delta Roboter etwa sind Parallelarmroboter mit Stabkinematik und sehen mit ihren Armen, die mit Kreuzgelenken mit der Basis verknüpft sind, ein bisschen aus wie Spinnen. Da alle Motoren in der Basis stecken, sind Delta-Roboter leicht und schnell. Sie werden häufig zum Verpacken und in der Montage eingesetzt.

Stäubli Scara
Scara-Roboter. - Bild: Stäubli

Scara-Roboter (Selective Compliance Assembly Robot Arm) wiederum haben die Form eines Armes mit vier seriellen Achsen. Ihre Bewegungsfreiheit ist auf horizontale Bewegungen beschränkt, dafür sind sie steif, wodurch sie sehr schnell und präzise arbeiten können. Sie werden für Pick&Place-Anwendungen eingesetzt oder in der Elektronikfertigung.

Am bekanntesten und typischsten sind wahrscheinlich die Knickarmroboter. Sie können sich flexibel wie ein menschlicher Arm bewegen, sind dabei aber in der Regel präziser und wiederholgenauer und je nach Größe natürlich auch stärker. An ihrem Arm lassen sich unterschiedlichste Werkzeuge montieren, die der Roboter bei Bedarf auch während des Betriebs wechseln kann. Sie werden üblicherweise mit vier, fünf oder sechs Achsen (Gelenken) gebaut, es gibt aber auch Modelle mit noch mehr Achsen.

Knickarm Kuka
Knickarmroboter gibt es in sehr vielen verschiedenen Vaianten und Größen. - Bild: Kuka

Was sind so genannte Cobots?

Roboter sind meist aus Metall und dank der eingesetzten Elektromotore auch kräftig, sie bewegen sich unter Umständen recht schnell. Daher besteht natürlich eine erhebliche Verletzungsgefahr, wenn ein Mensch einem Roboter im Betrieb in die Quere kommt, weswegen die meisten klassischen Roboter hinter einem Schutzzaun betrieben werden. Doch es geht auch anders.

Tiemann Zaun
Normale Industrieroboter müssen vom Menschen mittels einer trennenden Schutzeinrichtung, oft ein Zaun, separiert werden. - Bild: Tiemann

Im Jahr 2004 hat Kuka zusammen mit der deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt erstmals einen Leichtbauroboter entwickelt, der ohne einen Schutzzaun auskam und direkt mit dem Menschen zusammenarbeiten konnte. 2008 brachte das dänische Startup-Unternehmen Universal Robots (erinnert das jemanden an Karel Čapeks Theaterstück?) ebenfalls einen solchen Roboter auf den Markt, und das sogar zu einem besonders attraktiven Preis: Rund 30.000 Euro waren in einer Branche, die sonst eher sechsstellige Preise kennt, schon eine Ansage.

Universal Robots mit Hand
Dank intelligenter Safety-Features können Cobots direkt mit Menschen zusammenarbeiten. - Bild: Universal Robots

Mit diesen Geräten war eine neue Robotergattung gegründet: die Cobots. Der Name setzt sich zusammen aus den englischen Begriffen Collaborative Robot, also Roboter für die Mensch-Maschine-Kollaboration. Um die notwendige Sicherheit zu erreichen, nutzen die Hersteller von Cobots unterschiedliche Methoden, teils auch in Kombination. Sie messen die Kräfte, die ihre Motoren aufbringen und vergleichen sie mit der geplanten Bahn, manche haben Kraft-Momenten-Sensoren in einigen oder allen Gelenken, manche nutzen eine luftgefüllte Sensorhaut, andere kapazitive Sensorik (wie bei einem Touch-Display). Allen gemein ist, dass sie, sobald sie auf ein Hindernis oder einen Menschen treffen, stehen bleiben.

Um die Verletzungsgefahr weiter zu reduzieren, sind die Kanten der Cobots abgerundet und sie fahren mit reduzierten Geschwindigkeiten und Kräften. Dadurch wirken sie manchmal etwas träge, weswegen viele Modelle in Abwesenheit von Menschen (durch Zaun oder Sensorüberwachung sichergestellt) deutlich schneller arbeiten können.

Leichtbauroboter und Cobots sind sicher die sinnvollste Lösung, um in Kleinbetrieben, Labors oder im Handwerk eingesetzt zu werden. Neben dem günstigen Preis ist es vor allem die leichte Bedienbarkeit und Programmierung, die Cobots so attraktiv macht.

Techman Tablet
Viele Cobots lassen sich ganz einfach graphisch programmieren. - Bild: Techman

Denn viele Hersteller haben nicht nur die Sicherheit gesteigert und den Preis gesenkt, sie haben auch sehr viel Aufwand in eine einfache Programmierung gesteckt. Die meisten Cobots lassen sich per Hand führen und so „teachen“, sprich anlernen. Oft müssen die Geräte nicht mehr mit Codezeilen programmiert werden (man kann das aber weiterhin tun), sondern sie werden über ein Touch-Display grafisch konfiguriert. Man kombiniert Funktionsblocks, und digitale Assistenten unterstützen dabei. Wer ein Navigationssystem bedienen kann, der kann nach einer Einweisung auch einem solchen Roboter sagen, was er zu tun hat.

Zu den aktuell am Markt verfügbaren Cobot-Herstellern zählen Universal Robots, Omron/Techman, Doosan, Franka Emika, Rethink Robotics und Hanwha, doch auch etliche der klassischen Roboterhersteller haben Cobots im Programm.

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Was Roboter alles können – und was nicht. Die Einsatzgebiete

Natürlich gibt es Einsätze, die ohne intelligente mobile Roboter gar nicht möglich wären. Vor allem in extremen Umgebungen wie in der Tiefseeforschung oder der Raumfahrt sind Forscher auf die Unterstützung von Robotern angewiesen. Für autonome Systeme sind auch technisch anspruchsvolle Tasks kein Thema.

Dann gibt es die Einsätze in der industriellen Massenfertigung. Hier haben die Sechsachs-, Scara- oder Delta-Systeme vor allem für Effizienz zu sorgen, sie sollen schweißen, lackieren, Maschinen beladen und Werkstücke bearbeiten. Schnell und rund um die Uhr.

Eigenstetter Treppe
Roboter im Einsatz in einer Tischlerei: Die Wendeltreppe wird präzise vorgearbeitet. - Bild: Tischlerei Eigenstetter

Aber wie sieht es bei Kleinbetrieben und Handwerkern aus? Vor allem Handwerker sind oft stolz darauf, ihre Arbeiten selber, quasi mit ihren eigenen Händen zu erledigen. Es zeigt ihren Erfindungsreichtum, die Handwerkskunst. Das ist auch gut so, und doch gibt es die eine oder andere Aufgabe, die den Einsatz eines Industrieroboters oder Cobots rechtfertigt. Natürlich können selbst mit KI und Machine Learning ausgerüstete Systeme nicht die Erfahrung und Kreativität eines Handwerksmeisters oder erfahrenen Werkers ersetzen, so gut ist die Künstliche Inelligenz noch lange nicht. Aber Tätigkeiten, die sich stupide wiederholen, die körperlich schwer oder schmutzig und staubig sind, die können Roboter sehr gut übernehmen. Und seien wir ehrlich: Solche Arbeiten gibt es überall. Wenn Sie bisher noch nie über einen Kollegen aus Stahl oder Aluminium nachgedacht haben, sollten Sie es vielleicht tun. Es könnte Ihr Arbeitsleben verändern. Positiv.

Warum Roboter gerade jetzt für Kleinbetriebe interessant sind und wie kollaborierende Roboter und Handwerk zusammenpassen, erklärt Ihnen der Chef der Schlosserei Wiesemann in diesem Beitrag.

Selbstversuch: Einen Roboter in Betrieb nehmen

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