Roboter

Der Begriff Roboter geht auf den tschechischen Schriftsteller Karel Capek zurück. In seinem 1921 erschienenen Roman R.U.R. bezeichnete er menschenähnliche Maschinen als Roboter. Das Wort leitet sich vom tschechischen Wort Robota ab, das so viel bedeutet wie Fronarbeit.

Roboter sind selbstständig agierende, intelligente Automaten. Nach dieser Einordnung werden Systeme betrachtet, die aufgrund moderner Arbeits- und Steuerungstechnik eine gewisse Flexibilität besitzen. Das wichtigste Einsatzgebiet bilden die Industrieroboter

Definition

Einige Institutionen haben den Begriff Roboter mit Definitionen zur Einordnung in die heutige Zeit konkretisiert:

Robotic Industries Association: "Ein Roboter ist ein programmierbares Mehrzweck-Handhabungsgerät für das Bewegen von Material, Werkstücken oder Spezialgeräten. Der frei programmierbare Bewegungsablauf macht ihn für verschiedene Aufgaben einsetzbar."

VDI-Richtlinie 2860: "Industrieroboter sind universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegung hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausgerüstet und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen."

Europäische Norm EN 775: "Ein Roboter ist ein automatisch gesteuertes, wiederprogrammierbares, vielfach einsetzbares Handhabungsgerät mit mehreren Freiheitsgraden, das entweder ortsfest oder beweglich in automatisierten Fertigungssystemen eingesetzt wird."

Japan Robot Assiciation (JARA): "Die JARA gibt keine übergreifende, allgemeine Beschreibung für den Begriff Roboter an, sondern definiert verschiedene Roboterklassen in Abhängigkeit von der Einsatzflexibilität und Intelligenz:

- Manual Manipulator: Handhabungsgerät, das kein Programm hat, sondern direkt vom Bediener geführt wird,

- Fixed Sequence Robot: Handhabungsgerät, das wiederholt nach einem konstanten Bewegungsmuster arbeitet. Das Ändern des Bewegungsmusters ist relativ aufwendig,

- Variable Sequence Robot: Handhabungsgerät, wie vorher beschrieben, jedoch mit der Möglichkeit, den Bewegungsablauf schnell und problemlos zu ändern,

- Playback Robot: Der Bewegungsablauf wird diesem Gerät einmal durch den Bediener vorgeführt und dabei im Programmspeicher gespeichert. Mit der im Speicher enthaltenen Information kann der Bewegungsablauf beliebig wiederholt werden,

- Numerical Control Robot: Dieses Handhabungsgerät arbeitet ähnlich wie eine NC-gesteuerte Maschine. Die Information über den Bewegungsablauf wird dem Gerät über Taster, Schalter oder Datenträger zahlenmäßig eingegeben,

- Intelligent Robot: Diese höchste Roboterklasse ist für Geräte gedacht, die über verschiedene Sensoren verfügen und damit in der Lage sind, den Programmablauf selbstständig den Veränderungen des Werkstückes und der Umgebung anzupassen.

Typen und Ausprägungen

Portalroboter sind in der Grundkonzeption auf lineare Bewegungen im kartesischen Koordinatensystem beschränkt. Ergänzende rotatorische Bewegungen können durch Drehachsen oder Schwenkachsen im Greifer realisiert werden. Diese Systeme ermöglichen die Realisierung großer Arbeitsräume und das Handling hoher Traglasten.

Knickarmroboter der Firma KUKA

Gelenkarmroboter/ Knickarmroboter haben nur Drehgelenke, die in der Regel fünf bis sechs rotatorische Achsen ermöglichen. Der Roboterarm ist mit einem Schulter- und einem Ellbogengelenk ausgestattet, was häufig zu der Bezeichnung Knickarmroboter führt. Die Systeme sind in der Regel auf einer Drehachse montiert und ermöglichen dadurch eine Rotation um die Z-Achse. Der Arbeitsraum des Gelenkarmroboters ist somit näherungsweise kugelförmig. Mit seinen 6 Freiheitsgraden haben diese Systeme eine hohe Beweglichkeit und können z.B. Hindernisse umgreifen. Ihre Reichweite und Traglast ist allerdings beschränkt.

SCARA-Roboter/ Horizontaler Kickarmroboter von Selective Compilance Assembley Robot Arm, oder auch Säulenroboter genannt, besitzt 2 bis 4 Drehachsen in vertikaler Richtung und eine Linearachse, ebenfalls in vertikaler Richtung. In dieser Grundkonfiguration verfügt er über 4 Freiheitsgarde. Diese Roboterbauform kann eine hohe Bewegungsdynamik und Positioniergenauigkeit realisieren. Die Einsatzgebierte sind Montage-, Füge- und Handhabungsaufgaben (Pick-and-Place Anwendungen). Die Andwendungsgebiete sind durch die Form des Arbeitsraumes beschränkt.

Kollaborative Roboter und Leichtbauroboter] wurden in jüngster Vergangenheit als Systeme entwickelt, die eine direkte Mensch-Roboter Kollaboration ermöglichen. Das heißt, dass der Roboter mit dem Meschen als Kollegen kooperiert, ohne dass Schutzzäune den Arbeitsbereich des Roboters schützen müssen. Das Verhindern von Kollisionen wird über Sensorik ermöglicht. Diese erkennt Objekte im Nahfeld des Roboterarms und Greifers und kann eine Bewegung kurzfristig stoppen. Diese Systeme können sehr einfach und schnell in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden. Dies auch aufgrund der einfachen Bedienung ohne Spezialwissen, um den Roboter für eine Aufgabe zu programmieren.

Parallelkinematikroboter "YF002N" der Firma Kawasaki

Parallelkinematik-Roboter unterscheidet man zwischen den Bauformen Tripod, Hexapod oder Deltaroboter mit 3 bis 6 parallel angeordneten Linearachsen oder Gelenkarmen. Die Antriebe der Achsen sind stationär. Mit diesen Parallelkinematik-Robotern können hohe Geschwindigkeiten durch gering bewegte Massen erreicht werden. Die geschlossene kinematische Kette gewährleistet höhere Wiederholgenauigkeiten sowie Steifigkeit bei einem stark begrenzten Arbeitsraum. Sie werden für Bearbeitungsaufgaben eingesetzt. Dies betrifft vorwiegend Handhabungsaufgaben.

Mobile Roboter sind nicht fest an einer bestimmten Stelle montierte Systeme, die komplexe Aufgaben übernehmen können. Daher können hier auch keine bestimmten Bauformen als charakteristisch beschrieben werden. Die Anwendungsbereiche spannen sich von Reinigungsarbeiten über land- und forstwirschaftliche Einsatzgebiete, gefährlichen Umgebungen oder die Raumfahrt. Hier können auch Drohnen eingeordnet werden, die nicht für militärische Aufgaben, sondern zur Überwachung und Kontrolle, aber auch für den Transport, eingesetzt werden. Mobile Roboter bewegen sich über Räder, Ketten und Beine; bei Drohnen findet die Bewegung zumeist in der Luft statt, wobei diese prinzipiell keinen eingeschränkten Arbeitsraum haben. Sie müssen aber ihre Antriebsenergie stets mitführen oder kontinuierlich gewinnen. Eine Auflistung ihrer Kriterien findet man in der ISO-Norm 19649.

Serviceroboter

Humanoider Roboter "Nao" der Firma Aldebaran Robotics

gehören zu der Kategorie, die uns als Privatperson demnächst am häufigsten im täglichen Umgang begegnen könnten. Schon weiter verbreitet sind zum Beispiel Mähroboter und Roboter zur Reinigung. Allerdings könnten sie in Zukunft auch wichtige Aufgaben übernehmen wie die Unterstützung von Menschen mit Gebrechen oder Handycap. Doch auch im Freizeitsektor könnte die Robotik eine größere Rolle spielen. Nachdem Virtual Reality sich immer weiter verbreitet, wäre die Integration von Robotern z.B. im Spielesektor immer wahrscheinlicher.

Humanoide Roboter ahmen die Fähigkeiten des Menschen nach. Dies betrifft sowohl die Bewegungskinetmatik der nachempfundene Beine, Arme und Hände als auch äußere Merkmale des Gesichts. Auch Sinneswahrnehmungen wie Sehen, Hören, Tasten und Fühlen, die im Endeffekt durch Sensorik realisiert werden, führen zur Annäherung an den Menschen. Zur Kommunikation werden gängige Sprachausgabesysteme verwendet, wobei der nächste Schritt die Fähigkeit zur Gestik und Mimik sein soll.

Einsatzgebiete

Anfänglich wurden Roboter zur Unterstützung und Realisierung industrieller Arbeitsprozesse entwickelt. In diesem Sinne sind Industrieroboterauch die wichtigste Klasse in der Robotertechnik. Hierzu sind auch mobile Roboter zu zählen, die im gefährlichen Umfeld, im Bereich der Land- und Forstwirtschaft, Unterwasser bis hin zur Raumfahrt eingesetzt werden. So werden immer öfter Roboter konstruiert, die neben den klassisch industriellen Aufgaben wie dem Schweißen, Umformen oder Montieren, auch anderweitig im Einsatz sind. Als Beispiele genannt werden können die Bekämpfung von Unkraut ohne den Einsatz von Pestiziden, das Vordringen in die Tiefen der Ozeane oder auch die Erkundung ferner Planeten und bedeutend kleinerer Himmelskörper. Die Raumsonde Philae landete am 12.11.2014 auf einem Kometen. Was einen Meilenstein in der Raumfahrt bedeutete, wurde erst durch intelligente Robotik möglich. Die schwierig zu berechnende Flugbahn hätte unmöglich auf dem 10,5-jährigen Flug so präzise berechnet werden können, dass ohne ein Mitwirken der künstlichen Intelligenz der Sonde ein Landen möglich gewesen wäre.

Hinsichtlich der Industrie 4.0 werden vollautomatisierte Prozessabläufe immer häufiger, wodurch der Mensch zum einzigen Hindernis einer schnellen Abwicklung wird. Intelligente Roboter werden somit in Zukunft immer wichtiger, auch ihre Aufgabenfelder werden bedeutender. Produzenten, die sich auf individuelle Lösungen für Kundenwünsche spezialisiert haben, können ihre Abwicklung vom Eingang der Bestellung bis hin zum Warenausgang enorm verbessern. So fällt der Mensch als Glied in der Abwicklung weg und die Automaten können völlig autonom den Auftrag ausführen. Ein solches Vorgehen setzt natürlich einiges voraus, wie einen präzisen Auftrag, da es kein Fachmann mehr gibt, der die Bestellung auf einen Sinngehalt hin überprüft.

Seit einigen Jahren werden Realisierungskonzepte von Dienstleistungen für den Menschen entwickelt, die das tägliche private Umfeld, die medizinischen Versorgung und Pflege oder die Reinigung, betreffen. Hierzu zählen auch die humanoiden Roboter. Mäh- oder Reinigungsroboter sind für immer mehr Menschen aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Zudem besitzen sie ein großes Potential, um energiesparend zu arbeiten. Bis auf die Lade- und Tankzeiten des Energiespeichers kann der Energiebedarf dauerhaft reduziert werden. Da der Benutzer die Arbeitsleistung des Roboters nicht direkt wahrnimmt, kann dieser wesentlich langsamer und geringerem Verbrauch arbeiten. Dabei wird auch die Vernetzung der Geräte untereinander immer wichtiger.

Auch in gefährlicheren Gebieten wie der Rettung, Sicherheit und Überwachung bieten Roboter verschiedene Einsatzmöglichkeiten. Dies betrifft z.B. die Entschärfung von Sprengsätzen in Krisengebieten samt derer Erkundung oder allgemeine humanitäre Aufgaben, bei denen die Gefahr besteht, dass ein Menschenleben gefährdet werden könnte. Dies kann zu einem schnelleren Eingreifen verhelfen, da die Hürden der Entscheidung gesenkt werden. Jedoch werden gerade im militärischen Bereich, seit den 90-er Jahren des 20. Jahrhunderts, immer öfter Konzepte entwickelt, die nicht Menschenleben schützen sollen, sondern gezielt zum Angriff eingesetzt werden. Sogenannte UCAVs (Unmanned Combat Aerial Vehicle) werden, oft in Form von Flugdrohnen, eingesetzt, um bewaffnete Konflikte auszutragen. Die Weiterentwicklung dessen bilden LAWS (Letale Autonome Waffensysteme). Sie sollen per Algorithmus autonom entscheiden, wie sie vorgehen. Da der Einsatz dieser Robotersysteme als höchst umstritten gilt, tagten die Vereinten Nationen am 27.08.2018 in Genf, um völkerrechtliche Regularien zu schaffen. Einige Staaten, darunter Deutschland, wollen den Gebrauch als Kriegsverbrechen ächten, andere Staaten wie die USA oder Russland verfolgen hingegen nationale Interessen.

Weltweit lag die durchschnittliche Dichte von Robotern bei 74 Einheiten pro 10.000 Einwohner (Stand Februar 2018), was einen Anstieg von ca 12 % im Vergleich zum Jahr 2015 bedeutet. Dabei schwankt die Zahl jedoch stark nach Kontinent. Aufgeschlüsselt liegt die Dichte somit in Europa bei 99 Einheiten, in Amerika bei 84 und in Asien bei 63 Einheiten. Zu den Top 10 Ländern bei der Automatisierung zählen: Südkorea, Singapur, Deutschland, Japan, Schweden, Dänemark, USA, Italien, Belgien und Taiwan. Den größten Zuwachs verzeichnete China, wo die Zahl von 2013 bis 2016 von 25 auf 68 Einheiten stieg. Weit vorne abgeschlagen liegt die Republik Korea, bei der eine Dichte von 631 Einheiten zu verzeichnen ist, die den globalen Durchschnitt um das 8-fache übersteigt. Deutschland ist in Europa Spitzenreiter mit 309 Einheiten und bildete 2016 mit rund 40 % am gesamten Absatz auch den größten Absatzmarkt in Europa. Auf der Weltrangliste liegt die BRD auf Platz 3. Das größte Einsatzgebiet bietet dabei die Automobilindustrie.

Funktionsweise und Aufbau

Die allgemeine Funktionsweise von Robotern lässt sich wie folgt beschreiben: Jeder Roboter besteht aus einer Steuerung, einem Antrieb, einem oder mehreren Manipulatoren und einem oder mehreren Effektoren. Eine genaue Unterscheidung und Erläuterung der Funktionsweisen und des Aufbaus ist in den Unterartikeln der verschiedenen Bauformen beschrieben.

• Steuerung: Die Steuereinheit bildet das Gehirn des Roboters und ist das Bindeglied im E.V.A.-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe), nach welchem die Steuerung mit den Sensoren und Aktoren zusammenarbeitet. Es trägt die Informationen der Sensoren zusammen, verwertet diese und berechnet seine Ausgaben an die Aktoren. Somit ist es für die Realisierung des Gesamtablaufes des Programmes verantwortlich. Das Steuergerät kann dem Benutzer zusätzlich über Schnittstellen Informationen über das System und mögliche Fehler im Fehlerspeicher ausgeben oder erlaubt eine Programmierung bzw. die Einspielung eines neuen Programms. Bei Robotern, deren Programmierung des Öfteren geändert werden, gibt es meist die Möglichkeit die Steuerung über ein Bedienfeld mit Eingabeinterface anzusteuern.

• Antrieb: Der Antrieb besteht aus einem Motor, der fast immer elektrisch betrieben wird und zur Kraftübersetzung an ein Getriebe gekoppelt wird. Die weitere Kraftübertragung wird dann pneumatisch, hydraulisch oder selten auch mechanisch übertragen. Die Pneumatik und Hydraulik bieten den Vorteil, dass sie räumlich flexibler im Raum verbaut werden können, da dort keine Zahnräder oder Ketten ineinander greifen müssen. Der sich aktuell abzeichnende Trend geht in Richtung elektronischer Stellmotoren zur Bewegung der Manipulatoren und Effektoren. Dies verhindert einen Kraftverlust durch Umwandeln der elektrischen Energie in hydraulische/pneumatische Energie hin zu mechanischer Kraft, sondern erlaubt die Umsetzung von elektrischer Energie direkt in mechanische. Bei mobilen Robotern werden zusätzlich noch eine oder mehrere Antriebsachsen, Kettenfahrwerke oder Beine angetrieben. In diesem Fall braucht der Roboter noch eine eigene Energieversorgung in Form einer Batterie oder Kraftstoffen oder muss selbst Energie erzeugen. Dies kann z.B. durch eine Brennstoffzelle oder Solarenergie gelingen.

• Manipulator Der Manipulator wird umgangssprachlich auch als Roboterarm bezeichnet. Er ermöglicht dem Roboter die Realisierung von bis zu 6 Freiheitsgraden, um jedmöglichen Punkt im Arbeitsbereich zu erreichen. Je nach Bauart des Roboters kann die Ausführung des Manipulators sehr unterschiedlich ausgeprägt sein. So kann er ergonomisch ausgeprägt sein und über eine sensitive Oberfläche verfügen wie dies bei humanoiden Robotern der Fall ist. Bei diesen sind meist 2 Manipulatoren üblich. Diese sind nicht zu verwechseln mit dem Antrieb (Beinen) und der Basis kombiniert mit der Steuerung (Torso und Kopf). Bei einigen Robotern wie Mährobotern existieren gar keine Manipulatoren. Sie bestehen nur aus einer Basis, einer Steuerung, einem Antrieb und einem oder mehreren Effektoren. Auch bei Portalrobotern sollte man die Manipulatoren als solche benennen, da eine Bezeichnung als Roboterarm ein falsches Bild projizieren würde und solche nicht mehr als Manipulatoren erkannt würden.

• Effektor Als Effektor bezeichnet man das Werkzeug des Roboters, das je nach Bauart, Ausprägung und Aufgabe stark variieren kann. Bei Industrierobotern sind zumeist Greif-, Bearbeitungs- und Montagewerkzeuge in sehr vielseitiger Ausprägung und mit vielen Kombinationsmöglichkeiten vorzufinden, wobei die Greifwerkzeuge, zu denen auch magnetische und pneumatische Hebesysteme zählen, die größten Einsatzgebiete bieten. So stellt die Handhabung von Waren und Bauteilen einen sehr großen Aufgabenbereich dar, welcher von vielen Industrien genutzt wird. Einige Roboter haben keine klassischen Effektoren, wie z.B. Assistenzroboter im Dienstleistungsbereich. In diesem Fall können die Eingabeinterfaces zu den Effektoren gezählt werden.

• Sensoren: Die Sensoren nehmen physikalische Signale auf und wandeln sie in elektrische Signale um. Je nach Integrierungsgrad des Sensors geht von analogen Sensoren ein elektrisches Signal aus, oder der digitale Sensor sendet durch ein kleines, eingebautes Steuergerät ein BUS-Signal an die Hauptsteuerung.
  • Interne Sensoren messen Daten des Roboters on board, also den Betriebszustand, wie Radenkoder (Position), den Ladezustand der Batterie oder die Temperatur der Betriebsstoffe. Dadurch erst wird eine präzise Steuerung mit einer entsprechenden Wiederholgenauigkeit möglich.
  • Externe Sensoren erfassen die Umwelt des Roboters. Sie dienen zur Orientierung des Roboters zu seiner Umwelt und Koordination derer mit dem Manipulator und dem Effektor. Damit kann der Roboter auf Veränderungen reagieren ohne neu programmiert werden zu müssen. Zu den externen Sensoren zählen unter anderem Kameras, Ultraschall, Infrarot und Lasersensoren, aber auch immer öfter akustische Schnittstellen zur Interaktion mit Menschen.

• Kinematik: Die Kinematik beschreibt die Bewegungsmechanik des Roboters. Dazu gezählt werden die Bewegungsform (translatorisch oder rotatorisch), die Anordnung und Anzahl der Achsen, sowie der Freiheitsgrad. Wichtig für die Koordination des Manipulatoren und Effektoren ist die Interaktion mit der Umwelt.

Koordination

Für die Koordination im Raum gibt es mehrere Systeme, die sich in zwei Gruppen einteilen lassen: achs- und raumbezogene Koordination. Aufgelistet sind die Koordinatensysteme und Bewegungsnomenklaturen in der ISO-Norm 9787.

achsbezogen

Vereinigt mit der konstruktiven Länge und den verschiedenen Achsen der Bauteile berechnet die Steuerung die genaue Position. Dies bietet die Möglichkeit die kinematische Kette zu beschreiben.

raumbezogen

Das Weltkoordinatensystem wird verwendet, um den Roboter in seine Umwelt zu integrieren. Dabei legt die Programmierung fest, an welcher Stelle des Raumes sich Manipulatoren und Effektoren bewegen sollen. Die Steuerung berechnet mit der Denavit-Hartenberg-Notation, welche Stellung die einzelnen Achsen zueinander einnehmen müssen. Diese Notation erlaubt es alle kinematischen Ketten in deren Lagen einheitlich zu bestimmen. Da durch die Voraussetzungen allerdings jedes Gelenk maximal einen Freiheitsgrad besitzen darf, werden Gelenke mit mehreren Freiheitsgraden - wie beispielsweise Drehgelenke - als Kombination der Folge von Gelenken ausgedrückt. Zu diesem Zweck stehen dem Programmierer eine Auswahl von Koordinatensystemen zur Verfügung, welche alle auf kartesische Koordinatensysteme mit den Achsen x, y, z, a, b und c aufgebaut sind. Die Achsen x, y und z beschreiben die Position im Raum, wohingegen die restlichen 3 Achsen deren rotatorische Ausrichtung angeben.

• Weltkoordinatensystem: Den Ursprung des WORLD-Koordinatensystems bildet üblicherweise die erste Achse der Denavit-Hartenberg-Notation. Zumeist ist dies die Basis des Roboters oder die neutrale Fase des ersten Gelenkes. In das Weltkoordinatensystem werden alle anderen Koordinatensysteme integriert.
• Basiskoordinatensystem: Das BASE-Koordinatensystem bezieht sich in der Regel auf das Werkstück oder dessen Aufnahme. Es dient zur Bezugnahme des Roboters auf das Werkstück und Erstellung von Punktkoordinaten, die sich mit der Bewegung des Werkstückes ändern. Das Anlegen mehrerer oder nicht fest definierter BASE-Systeme ist nicht ungewöhnlich, um dem Roboter eine Interaktion mit wechselnden - oder mehreren Objekten gleichzeitig - zu ermöglichen. Bei undefinierten Systemen berechnet der Roboter durch Sensoren wie Kameras eine Definition.
• Werkzeugkoordinatensystem: Der Ursprung des TOOL-Koordinatensystems wird an einer geeigneten Stelle des Werkzeuges angelegt. Dieser hat den Namen "Tool Center Point" und besteht aus einer Z-Achse, die die Vorschubrichtung und eine zweite, frei wählbare Achse beschreibt. Auch hier verändern sich die Koordinaten in Bezug auf das WORLD-System. Die simultane Bewegung macht die Programmierung signifikant einfacher. Anhand einer durchdachten Festlegung des TCP kann das Werkzeug translatorisch oder rotatorisch bewegt werden. Dies geschieht passend zur Werkzeuglage, wodurch sich der Arbeitsweise des Menschen sehr angenähert wird. Das ist in vielen Bereichen sinnvoll, in denen Roboter und Mensch zusammenarbeiten, auch wenn es die Arbeitsgeschwindigkeit des Roboters verlangsamt. Ebenfalls können auch hierbei mehrere TOOL-Systeme angelegt werden, wie dies aus vergleichbaren Gründen beim BASE-System der Fall ist. Einen Sonderfall stellt die Anlegung eines Koordinatensystems für "externe Werkzeuge" dar. Bei einer Stanze für Bleche ist es beispielsweise der Fall, dass das TCP raumfest am Werkzeug angebracht und das Werkstück an das Werkzeug herangeführt wird.
• Externes Koordinatensystem: Zur Vernetzung mehrerer Roboter können auch die Informationen verschiedener Steuerungen miteinander ausgetauscht werden, um eine Zusammenarbeit zu ermöglichen. Das geschieht beispielsweise bei intelligenten Transportrobotern. Damit nicht bei jedem Roboter eigene Koordinatensysteme zur Bestimmung der Werkstückposition programmiert werden müssen, greifen sie auf die Informationen der anderen zu. Zum Einsatz kommt diese Verfahrensweise, wenn mehrere Roboter gleichzeitig oder nacheinander an einem Werkstück arbeiten.

Programmierung

Für die Programmierung von Robotern gibt es mehrere Möglichkeiten, welche sich in zwei Kategorien unterteilen lassen:

Online

Unter der Online-Programmierung versteht man die Programmierung eines Roboters unter dessen Einbeziehung. Sie wird auch als explizite, bewegungsorientierte Programmierung bezeichnet. Das bedeutet, dass die Steuerung während der Programmierung nicht ausgeschaltet wird und bleibt aktiv. Die Eingabe eines neuen Programmes mittels Steuerungssoftware - anstelle von Operationen und Schnittstellen - ist dabei sehr nützlich, um dem Roboter ein neues oder geändertes Verhalten zu lehren. Auch kann der Programmierer, welcher sich nicht zwingend mit der Programmsprache auskennen muss, den Roboter direkt bei der Ausübung der Aufgabe beobachten. Allerdings ist diese Programmiervariante nicht für alle Bauarten möglich. Oftmals zum Einsatz kommt dieses Verfahren zum Beispiel bei Humanoiden Robotern, wird aber auch vermehrt bei Gelenkarmrobotern in der Industrie eingesetzt. Nicht praktikabel ist das Online-Verfahren beispielsweise bei Portalrobotern, da diese über große Reichweiten verfügen können und in Arbeitsräumen wie Hochregallagern zum Einsatz kommen, die für den Meschen schwer zugänglich sind. Folgende Möglichkeiten gibt es für die Online-Programmierung:

• • Teach-In: Beim Teach-In wird dem Roboter sein gewünschtes Verhalten "angelernt". Der Roboter erhält die Befehle via Touchpanel oder über die Sprache und speichert diese ab. Diese Variante ist für viele Firmen sehr einfach anzuwenden. Auch nicht fachkundige Privatpersonen finden aufgrund der einfachen Handhabung schnell Zugang. Somit zählen Automaten dieses Verfahrens zu den kollaborierenden Robotern.
  • Play-Back: Unter der Play-Back-Programmierung versteht man das Anlernen des Roboters über sensitive Oberflächenstrukturen, die der Bediener über Berührung vornimmt. Damit zählt das Verfahren auch zum Teach-In, wird aber aufgrund seiner hohen Bedeutung nochmal einzeln aufgeführt. Nach der Programmierung optimiert der Roboter allerdings nochmals seine Aufgaben, indem er Bewegungsfehler des Menschen - wie das Zittern - korrigiert. Dieses Vorgehen wird als Folgeprogrammierung bezeichnet. Lange Zeit war es nicht unüblich für diese Methode ein typspezifisches Vorführmodell zu verwenden, welches sich leichter bewegen ließ und über entsprechende Sensorik verfügte. Diese Methodik nennt sich Master-Slave, wobei das Vorführmodell den Master darstellt. Aufgrund der Kollaboration von Mensch und Maschine ist eine solche Sensorik jedoch in jedem Fall notwendig. Die Vorführer verlieren zunehmend an Bedeutung.
  • Parametereingabe via Softwareschnittstelle: Die Eingabe über Schnittstellen zählt ebenfalls zur Online-Programmierung. Hierzu werden alle Parameter auf einem Panel oder mittels externem Eingabegerät eingegeben. Anschließend führt der Roboter die Bewegung durch. Im Gegensatz zum Teach-In bietet dies den Vorteil, dass wesentlich präzisere Eingaben möglich sind und der Roboter dadurch eine höhere Wiederholgenauigkeit besitzt.

Offline

Unter der Offline-Programmierung versteht man die Programmierung eines Roboters, während dessen Steuerung deaktiviert ist. Sie wird auch als implizierte, aufgabenorientierte Programmierung bezeichnet. Hierzu muss der Automat zwar ausgeschaltet werden, jedoch bietet es den Vorteil, dass das Programm nur aufgespielt werden muss und die Produktion nur kurzzeitig heruntergefahren werden wird. Auch ist diese Variante nötig, um tiefere Eingriffe in die Programmierung der Steuerung vorzunehmen, was mit der Online-Programmierung nicht möglich wäre. Einen Nachteil stellt allerdings die Erfordernis von weiterem Fachwissen dar, die als Konsequenz die Beschäftigung von Programmieren oder die Beauftragung eines Externen zur Folge hat. Folgende Möglichkeiten zum Offline-Verfahren gibt es:

• • 3D-Simulation: Zur vorherigen Vermeidung von Problemen wie Kollisionen wird oftmals eine 3D-Simulation erstellt. Je nach Programmierung von Roboter und Simulationsprogramm kann auf das Verhalten des Roboters direkt Einfluss genommen werden. Im späteren Verlauf wird die Simulation dann direkt auf die Steuerung überspielt.
  • Softwarekodierung und -kompilierung: Die klassische Kodierung und Kompilierung ist notwendig, um die anderen Programmiervarianten erst möglich zu machen. Auf ihrer Basis können dann die anderen Möglichkeiten aufgebaut werden. Sie wird zusätzlich häufig bei der Behebung von Problemen wie Bugs (Fehler in der Programmierung) verwendet. Auch bei der Optimierung des Programmes kann dieses Verfahren eingesetzt werden, allerdings sind dabei neben den Kenntnissen in der Informatik auch ein hoher Grad an Verständnis für die technischen Abläufe - sowie eine Zusammenarbeit von Ingenieuren oder Technikern mit den Programmierern - notwendig, was den Ablauf unflexibel gestaltet.
  • Quelltexteditierung: Das Erstellen von Quelltextdateien ist nützlich, um verschiedene Verhaltensmodelle zu erstellen. Die Veränderung von Quelltexten kann auch bei Online-Verfahren möglich sein, allerdings nur dann, wenn dieser vorher dafür prädestiniert wurde. Feste Parameter werden dabei in eine Datei geschrieben, die von der Steuerung dann später eingelesen und verwendet wird. Beispiele für Programmiersprachen, die bei Robotern verwendet werden, sind: AML, AR-BASIC, COSIMIR, KAREL oder RAPID.

Aktuelle Entwicklungen der Robotikprogrammierung verfolgen Ansätze, um Robotern menschliche Attribute (natürliche Sprache, intelligentes Denken, Mimik und Gestik) beizubringen. Dadurch sollen sie in der Lage sein Entscheidungen zu treffen, die nicht nur rein mathematisch berechnet sind. Grundlage hierfür ist eine Art kindliches Lernverhalten: ausprobieren, lernen, umsetzen und anwenden.

Geschichte der Robotik

Anders als bei fast allen anderen technologischen Errungenschaften stand am Anfang der Robotik eine sehr weit verbreitete Idee aus Kunst und Literatur, der sogenannten Science-Fiction, zu der es allerdings keine technisch umsetzbare Lösung gab. Schriftsteller wie Karel Capek, der Namensgeber des Roboter, oder auch Isaac Asimov, der die drei elementaren Robotergesetze erschuf, fühlten sich schon früh dazu berufen die Idee einer humanoiden, intelligenten Maschine zu schaffen. Asimovs Gesetzte haben bis heute eine hohe Stellung, wenn es um ethische und sicherheitstechnische Aspekte der Robotik geht. So lauten sie:

 1. Ein Roboter darf niemals einen Menschen verletzten oder - durch Untätigkeit - zulassen, dass ein Mensch zu Schaden kommt.

 2. Ein Roboter muss den Befehlen gehorchen, welche ihm von den Menschen gegeben werden, außer aber bei Befehlen, welche die erste Regel verletzten würden.

 3. Ein Roboter muss seine eigene Existenz schützen, solange dies nicht mit dem ersten oder zweiten Gesetz in Konflikt tritt.

Charlie Chaplin benutze den Begriff "Maschinenmenschen" im Film "Der Diktator" in seiner Rede an die Menschheit, um Kaltherzigkeit zu beschreiben.

Der erste Roboter, ein manuell gesteuerter Manipulator zum Wechseln von Brennstäben in Kernreaktoren, wurde 1951 von Raymond Goertz konstruiert. Dabei ging es vor allem darum, dass sich Menschen nicht mehr den Strahlungen im Inneren des Reaktors aussetzten mussten. Von einer Automatisierung war dies allerdings noch weit entfernt. Doch schon drei Jahre später meldete Georg Deval, mit der US-Patent Nr. 2.988.237 für einen automatisierten Manipulator, ein Patent an. Diesen nannte er Unimate und nachdem er mit Joseph Engelberger eine Feldgeber fand, führte der Automobilhersteller General Motors den ersten Unimate für Tests ein. Zwei Jahre später stand dieser dann auf der gesamten Produktionslinie für das Schweißen von Druckgussteilen für die Karosserie. Ab 1966 waren die Unimate-Roboter auch in der Lage zu lackieren und konnten zudem punktschweißen. Die japanische Regierung war es, welche das Potential des Roboters zum Kompensieren des hohen kriegsbedingten Fachkräftemangels erkannte. Im Jahr 1968 erhielt der japanische Konzern Kawasaki das Lizenzrecht an Unimate für den asiatischen Markt zu produzieren. In Deutschland durfte erstmals Mercedes-Benz die hydraulischen Manipulatoren einzusetzen.

1973 kam es dann zu einer ersten Revolution, als der Entwickler Kuka einen Industrieroboter mit 6 Achsen unter dem Namen Famulus einführte. Vier Jahre später führte dann die Firma Yaskawa mit dem Momotan L10 den ersten Gelenkrobter ein. Dies gilt als ein weiterer Meilenstein der Robotertechnik. Da absehbar war, dass sich der Absatz in der Automobilbranche verringern würde, aufgrund einer zunehmenden Sättigung, begann man den Lebensmittelmarkt zu ergründen. Ob enorme Kräfte aufbringen, hochpräzise Vorgänge wiederholen oder autodidaktisch lernen - für die neusten Generationen ist all das kein Problem. So kann beispielsweise der Tischtennisroboter von Omron Electronics mit 80 Berechnungen pro Sekunde die Flugbahn des Tischtennisballs berechnen und präzise zurückschlagen. Was wie Spielerei anmutet, ist modernste Technik, die der künstlichen Intelligenz bloß ein Bild gibt. In Zukunft wird dadurch die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine immer enger verbunden.

Sicherheitsaspekte

Im Umgang mit Robotern sind einige Aspekte bezüglich der Sicherheit von Menschen und der restlichen Umwelt zu beachten. Wohingegen in der Vergangenheit Roboter meist abgeschirmt hinter Schutzeinrichtungen arbeiteten, werden immer öfter Konzepte entwickelt, bei denen Roboter und Mensch zusammen agieren können. Die Kollaboration von Mensch und Maschine war mit zahlreichen Risiken verbunden und der Einsatz im privaten Umfeld wurde lange mit Skepsis betrachtet. Die neuen Generationen sind dank künstlicher Intelligenz und feinfühliger Sensorik allerdings im Stande die Gefahren für den Menschen zu minimieren. Dabei bestimmen die Daten der Sensoren aktiv den Bewegungsplanung der Steuerung. Wichtig für die Sicherheit ist daher auch die Programmierung des Roboters, mit der bestimmt wird, wie auf den Bewegungsablauf, bei der Ermittlung von Abweichungen der IST-Daten, reagiert werden soll. Die ISO 13849 legt hierbei die Standards für sicherheitsbezogene Bauteile fest. Die allgemeinen Regeln und Anforderungen zur Sicherheit im Umgang mit Robotern werden in mehreren Normen festgehalten. Dazu zählen die Normen im industriellen Einsatz DIN EN ISO 10218-1 und 10218-2. So sind dort beispielsweise einige Regeln für Kollaborierende Roboter festgehalten: So soll der Roboter durch einen Sicherheitshalt zum Stillstand gebracht werden, sobald ein Mensch den Kollaborationsraum betritt. Zum Anlernen der Maschine darf der Roboter dann nur mit reduzierter Geschwindigkeit betrieben sein. Problematisch ist die Norm für die Leistung solcher Geräte, da eine Beschränkung der ausgeübten Kraft notwendig ist, um einen Notstopp im Sicherheitsfall rechtzeitig zu gewährleisten.

Für die Anforderungen an Roboter im Haushalts- und Assistenzsbereich wurde die ISO 13482 verfasst. Ihr zugrunde liegt der Einzug der Robotik in das private Umfeld.

Forschung

Deutschland zählt neben dem US-amerikanischen und asiatischen Raum zu einem wichtigen Standort für die Forschung und Entwicklung von Robotern. Neben der Entwicklung seitens der Herstellerfirmen gibt es an zahlreichen Universitäten, Lehranstalten und freien Institutionen Lehrstühle, die sich die Robotik zum Thema gemacht haben. Einige davon sind:

• Deutsche Gesellschaft für Robotik
• Fachgebiet Navigation und Robotik der Charité - Universitätsmedizin Berlin
• Forschungsgruppe Robotik des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz
• Frauenhofer Gesellschaft
• Labor für Neurorobotik am Institut für Informatik der Humboldt-Universität zu Berlin
• Lehrstuhl für Industrielle Robotik und Produktionsautomatisierung der Technischen Universität Dortmund
• Lehrstuhl für Robotik und Eingebettete Systeme der Universität Bayreuth
• Institut für Anthropomatik und Robotik am Karlsruher Institut für Technologie
• Institut für Flugsystemtechnik, Abteilung Unbemannte Flugsysteme DLR Braunschweig
• Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik der RWTH Aachen
• Institut für Robotik und kognitive Systeme der Universität zu Lübeck
• Institut für Robotik und Prozessinformatik der TU Braunschweig
• Institut für Robotik und Mechatronik im Robotik und Mechatronik Zentrum des DLR Oberpfaffenhofen

Aktuelle Forschungsprojekte bilden beispielsweise die Untersuchungen des Deutschen Luft- und Raumfahrt-Zentrums zum Thema Robotische Wasserstrahlchirugie. Dabei wird ein dünner Hochdruckwasserstrahl eingesetzt, um Weichgewebe zu entfernen. Obwohl die Methodik bereits 1982 in der Fachzeitschrift "British Journal of Surgery" vorgestellt wurde, ist es erst in Verbindung mit der Robotik möglich dieses Verfahren einzusetzen. Da bei der Präparation des Weichgewebes nur wenige Zellen entfernt werden, muss der Wasserstrahl jedes Mal exakt an der gleichen Stelle bewegt werden. Die Umsetzung dieses Problems galt lange als problematisch. Allerdings gab das DLR 2016 eine Veröffentlichung mit dem Namen "Extending the Capability of Using a Waterjet in Surgical Interventions by the Use of Robotics" bekannt, welche dieser Problematik zu großen Teilen gerecht wird.

Ein Beispiel aus der Wirtschaft zur Massenproduktion von Verbundwerkstoffen für den Leichtbau in der Automobil- und Luftfahrttechnik ist das Forschungsprojekt CosiMo. Maßgeblich initiiert von der Firma KUKA beteiligen sich unter anderem die Universität Augsburg an dem Projekt. Ziel ist es einen Automaten zu entwickeln der rentabel Verbundwerkstoffe herzustellen kann. Im Juni 2018 ins Leben gerufen, befindet sich die Forschung an diesem Projekt noch in den Anfängen.

Literatur und Nachweise

• Handbuch Robotik - Programmieren und Einsatz intelligenter Roboter, Autoren: Haun, Matthias

• Universität Ulm - Skript: Robotik, Autor: Dr. Mohammed Oubbati

• Pressemitteilung des IFR zur Roboterdichte vom 07.02.2018

• VDMA-Positionspapier: Sicherheit bei der Mensch-Roboter-Kollaboration

• Programmiersprachen & Programmierung von Robotersystemen, Autor: Hannes Ahrens

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