Roboter

Der Begriff Roboter geht auf den tschechischen Schriftsteller Karel Capek zurück, der in seinem 1921 erschienenen Roman R.U.R. menschenähnliche Maschinen Roboter nannte. Das Wort leitet sich von dem tschechischem Wort Robota ab, das so viel bedeutet wie Fronarbeit.

Roboter sind selbstständig agierende, intelligente Automaten. Bei dieser Betrachtung werden Systeme betrachtet, die aufgrund moderner Arbeitstechnik 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, sonder 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.

Bauformen

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.

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 System entwickelt, die eine direkte Mensch-Roboter Kollaboration ermöglichen. Das heißt, dass der Roboter mit dem Meschen als Kollegen kooperiert, ohne das 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.

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 geringe bewegte Masse erreicht werden. Die geschlossene kinematische Kette gewährleistet höhere Wiederholgenauigkeiten und Steifigkeit bei einem stark begrenzten Arbeitsraum. Sie werden für Bearbeitungsaufgaben und vorwiegend für Handhabungsaufgaben eingesetzt.

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, gefährliche Umgebungen oder die Raumfahrt. Hier können auch Drohnen eingeordnet werden, die nicht für militärische Aufgaben, sonder auch zur Überwachung und Kontrolle, aber auch für den Transport eingesetzt werden. Sie bewegen sich über Räder, Ketten und Beine, bei Drohen meist durch die Luft und haben damit prinzipiell damit keinen eingeschränkten Arbeitsraum. Sie müssen aber ihre Antriebsenergie stets mitführen oder kontinuierlich gewinnen.

Serviceroboter 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 bilden die Fähigkeiten des Menschen ab. Neben der Bewegungskinetmatik durch nachempfundene Beine, Arme und Händen spielt vor allem das Gesicht eine große Rolle für die Wahrnehmung des Menschen auf die Humanoide. Auch Sinneswahrnehmungen wie Sehen, Hören oder Tasten und Fühlen, die im Endeffekt durch Sensorik realisiert werden führen zur Annäherung an den Menschen. Zur Kommunikation werden gängige Sprachausgabesysteme verwendet und der nächste Schritt ist die Fähigkeit zu Gestik und Mimik.

Einsatzgebiete

Initial wurden sie 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 in gefährlichem Umfeld, im Bereich Land- und Forstwirtschaft, Unterwasser bis hin zur Raumfahrt eingesetzt werden. So werden immer öfter Roboter konstruiert, die neben den klassisch industriellen Aufgaben wie schweißen, umformen oder montieren, beispielsweise ohne den Einsatz von Pestiziden Unkraut in Gemüsekulturen umweltfreundlich bekämpfen, das Vordringen in die Tiefen der Ozeane oder die Erkundung ferner Planeten und gar bedeutend kleinerer Himmelskörper ermöglichen. Die Raumsonde Philae landete am 12.11.2014 auf einem Kometen. Was ein Meilenstein in der Raumfahrt bedeutete wurde erst durch intelligente Robotik möglich. Die schwierig zu berechnende Flugbahn hätte unmöglich auf dem 10,5 Jährigem Flug so präzise berechnet werden können, dass ohne ein Mitwirken der künstlichen Intelligenz der Sonde ein Landen möglich gewesen wäre.

In Hinblick auf die Industrie 4.0 werden voll automatisierte Prozessabläufe immer häufiger und dadurch wird der Mensch zum einzigen Hindernis einer schnellen Abwicklung. Intelligente Roboter werden somit in Zukunft immer wichtiger und auch ihre Aufgabenfelder werden immer bedeutender. Beispielsweise Produzenten, die sich auch individuelle Lösungen für Kundenwünsche spezialisiert haben, können ihre Abwicklung von dem Eingang der Bestellung bis hin zum Warenausgang enorm verbessern. So fällt der Mensch als Glied in der Abwicklung weg und die Automaten können die Automaten können völlig Autonom den Auftrag ausführen. Ein solches Vorgehen setzt natürlich einiges voraus, wie einen präzisen Auftrag, da kein Fachmann die Bestellung mehr aus Sinn überprüft.

Seit einigen Jahren werden zunehmend Konzepte zur Realisierung von Dienstleistungen für den Menschen im täglichen privaten Umfeld, in der medizinischen Versorgung und Pflege oder Reinigung entwickelt. In diese Gattung sind auch humanoide Roboter einzustufen. Der Mäh- oder der Reinigungsroboter sind für immer mehr Meschen aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Aber auch besitzen sie ein großes Potential um energiesparend zu arbeiten. So kann dank der, bis auf die Lade- und Tankzeiten des Energiespeicher, permanenten Einsatzbereitschaft der Energiebedarf reduziert werden. Da der Benutzer die Arbeitsleistung des Roboters nicht direkt wahrnimmt kann dieser wesentlich langsamer und somit auch verbrauchsgering arbeiten. Dabei wird auch die Vernetzung der Geräte untereinander immer wichtiger.

In sonstigen professionellen Einsatzbereichen wie Rettung, Sicherheit und Überwachung bieten die Roboter beispielsweise bei der Entschärfung von Sprengsätzen in Krisengebieten oder deren Erkundung und auch zur humanitären Hilfe eine Möglichkeit Hilfe zu leisten, ohne zusätzlich Menschen zu gefährden. Dies kann zu einem schnelleren Eingreifen verhelfen, da die Hürden der Entscheidung gesenkt werden. Jedoch werden gerade im militärischen Bereich auch seit den 90-er Jahren des 20. Jahrhunderts auch 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 und Russland verfolgen 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 zählen bei der Automatisierung: 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 mit einem Absatz.

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 Pgrogrammes. Bei Robotern, dessen 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, der an ein Getriebe gekoppelt wird zur Übersetzung der Kraft. Die weitere Kraftübertragung wird dann pneumatisch, hydraulisch oder selten 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 hin zu elektronischen Stellmotoren zur Bewegung der Manipulatoren und Effektoren. Dies verhindert einen Kraftverlust durch Umwandeln der elektrischen Energie in hydraulische/ pneumatische Energie hin zu mechanischer Kraft, sonder 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 durch z.B. eine Brennstoffzelle oder Solarenergie.

• ManipulatorDer 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 bei humanoiden Robotern. Bei diesen sind meist zwei Manipulatoren üblich. Diese sind nicht zu verwechseln mit dem Antrieb (Beinen) und der Basis kombiniert mit der Steuerung und (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 zum Beispiel Portalrobotern sollte man die Manipulatoren auch als solche benannt werden, da eine Bezeichnung als Roboterarm ein falsches Bild projiziert und solche nicht mehr als Manipulatoren erkannt werden.

• Effektor Als Effektor bezeichnet man das Werkzeug des Roboters, die je nach Bauart, Ausprägung und Aufgabe stark variieren können. Bei Industrierobotern sind zumeist Greif-, Bearbeitungs- und Montagewerkzeuge anzutreffen in sehr vielseitiger Ausprägung und mit vielen Kombinationsmöglichkeiten. Wobei die Greifwerkzeuge, zu denen auch magnetische und pneumatische Hebesysteme zählen, die größten Einsatzgebiete bieten. So stellt die Handhabung von Waren und Bauteilen ein sehr großen Aufgabenbereich dar, welcher von vielen Industrien genutzt wird. Einige Roboter haben keine klassischen Effektoren, wie 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 Integrierungdgrad 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. Für die Koordination des Manipulatoren, Effektoren und vor allem bei mobilen Robotern wichtig 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.

• 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 welche Stelle des Raumes sich Manipulatoren und Effektoren bewegen sollen und 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 werden. 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 und die restlichen 3 Achsen deren rotatorische Ausrichtung
  • 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-Koordinatensystem wird an einer geeigneten Stelle des Werkzeuges angelegt. Dieser hat den Namen "Tool Center Point" und besteht aus einer Z-Achse, die die Vorschubrichtung beschreibt und eine eine zweite frei wählbare Achse. Auch hier verändern sich die Koordinaten in Bezug auf das WORLD-System mit der Bewegung simultan und macht die Programmierung signifikant einfacher. Anhand einer durchdachten Festlegung des TCP kann das Werkzeug so um diesen translatorisch oder rotatorisch bewegt werden passend zur Werkzeuglage und kommt somit der Arbeitsweise des Menschen sehr nahe. Das ist in vielen Bereichen sinnvoll in denen Roboter und Mensch zusammen arbeiten, auch wenn es die Arbeitsgeschwindigkeit des Roboters verlangsamt. Ebenfalls können auch hier mehrere TOOL-Systeme angelegt werden aus den vergleichbaren Gründen dies auch beim BASE-System der Fall ist. Ein Sonderfall stellt die Anlegung eines Koordinatensystems für "externe Werkzeuge" dar. Bei solchen ,zum Beispiel eine Stanze für Bleche, ist der TCP raumfest am Werkzeug angebracht und das Werkstück wird an das Werkzeug herangeführt.
  • 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 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 Werstück 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 mit dessen Einbeziehung und wird auch als explizite Programmierung, sprich bewegungsorientiert bezeichnet. Das bedeutet die Steuerung selbigen wird während der Programmierung nicht ausgeschaltet 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 nicht zwingend sich tief mit der Programmsprache auskennen muss, den Roboter direkt bei der Ausübung der Aufgabe beobachten. Allerdings ist diese Programmiervariante nicht für alle Bauarten möglich. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren zum Beispiel oft bei Humanoiden Robotern, aber auch vermehrt bei Gelenkarmrobotern in der Industrie. Nicht praktikabel ist das Online-Verfahren beispielsweise bei Portalrobotern, da diese über große Reichweiten verfügen können in einem nicht für Menschen leicht zugänglichen Arbeitsraum wie Hochregallager. Folgende Möglichkeiten gibt es für die Online-Programmierung:

• • Teach-In: Beim Teach-In wird dem Roboter sein gewünschtes Verhalten "angelernt", indem zum Beispiel Touchpanel oder über Sprache beziehungsweise Gesten Befehle speichert. Diese Variante ist sehr einfach anzuwenden für viele Firmen, aber auch vor allem für nicht fachkundige Privatpersonen aufgrund ihrer Einfachheit. Somit zählen Automaten dieses Verfahrens zu den kollaborierenden Robotern.
  • Play-Back: Unter der Play-Back-Programmierung versteht man das Anlernen über unter anderem sensitive Oberflächenstrukturen des Roboters, 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 noch oftmals seine Aufgaben indem er Bewegungsfehler des Menschen wie 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 lies 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 und 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 und der Roboter führt die Bewegung durch. Dies bietet den Vorteil im Gegensatz zum Teacch-In, dass wesentlich präzisere Eingaben möglich sind und der Roboter dadurch eine höhere Wiederholgenauigkeit besitzt.

Offline

Unter der Offline-Programmierung versteht man die Programmierung des Roboters während dessen Steuerung deaktiviert ist und wird auch bezeichnet als implizierte Programmierung, sprich als aufgabenorientiert. Dazu muss der Automat zwar ausgeschaltet werden, jedoch bietet es den Vorteil, dass das Programm nur aufgespielt werden muss und die Produktion nur kurzzeitig herunter gefahren werden wird. Auch ist diese Variante nötig um tiefe Eingriffe in die Programmierung der Steuerung vorzunehmen, was mit der Online-Programmierung nicht möglich ist. Ein 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 Problemen wie die von Kollisionen wird oftmals eine 3D-Simulation erstellt. Je nach Programmierung von Roboter und Simulationsprogramm kann dabei auch direkt auch das Verhalten des Roboters 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 technisches Abläufe oder eine Zusammenarbeit von Ingenieuren oder Technikern mit den Programmierern notwendig was den Ablauf unflexibel gestaltet.
  • Quelltexteditierung: Das Erstellen von Quelltextdateien sind nützlich um verschiedene Verhaltensmodelle zu erstellen. Die Veränderung von Quelltexten kann auch bei Online-Verfahren möglich sein, allerdings nur wenn der dieser vorher dafür prädestiniert wurde. Feste Parameter werden dabei in eine Datei geschrieben, die von der Steuerung dann später eingelesen und verwendet werden. Beispiele für Programmiersprachen die bei Robotern verwendet werden sind: AML, AR-BASIC, COSIMIR, KAREL oder RAPID.

Aktuelle Entwicklungen der Robotikprogrammierung suchen Ansätze Robotern menschliche Attribute wie natürliche Sprache, intelligentes Denken und Mimik beziehungsweise 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 durchdachte Idee aus Kunst und Literatur, der sogenannten Sience-Fiction, zu der es allerdings keine technisch umsetzbare Lösung gab. Schriftsteller wie Karel Capek, dem Namensgeber des Roboter oder Isaac Asimov, der die 3 elementaren Robotergesetzte 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 angeht. so lauten sie:

 1. Ein Roboter darf neimals 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 wird, außer aber bei Befehlen, welche die erste Regel verletzten würden.

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

Charlie Chaplin benutze den Begriff "Maschinenmenschen" in dem 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 ein Patent mit der US-Patent Nr. 2.988.237 für einen automatisierten Manipulator 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. 2 Jahre später stand 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 punktschweißen. Allerdings war es die japanische Regierung, welche das Potential des Roboters zum Kompensieren des hohen kriegsbedingten Fachkräftemangels erkannte. Im Jahr 1968 erhielt der japanische Konzern Kawasaki das Lizenzrecht Unimate für den asiatischen Markt zu produzieren. In Deutschland kam erstmals Mercedes-Benz die hydraulischen Manipulatoren einzusetzen.

1973 kam es dann zu einer ersten Revolution, als der Entwickler Kuka einen Industrieroboter mit sechs Achsen unter dem Namen Famulus einführte. 4 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 Rechnungen 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 konzipiert bei denen Roboter und Mensch zusammen agieren können. So war die Kollaboration Mensch und Maschine mit Risiken verbunden und der Einsatz in privatem 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 der 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 asiatischem Raum zu einem wichtigen Standort für die Forschung und Entwicklung von Robotern. So gibt es neben der Entwicklung in den Herstellerfirmen an zahlreichen Universitäten, Lehranstalten und freien Institutionen Lehrstühle zur Forschung in der Robotik. 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 befand sich 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 Beispeil aus der Wirtschaft ist das Forschungsprojekt CosiMo, zur Massenproduktion von Verbundwerkstoffen für den Leichtbau in der Automobil- und Luftfahrttechnik. Maßgeblich initiiert von der Firma KUKA beteiligten sich unter anderem die Universität Augsburg an dem Projekt. Ziel ist es einen Automaten zu entwickeln der rentabel Verbundwerkstoffe herzustellen. Ins Leben gerufen im Juni 2018 befindet sich die Forschung in diesem Projekt noch in den Anfängen.

Literatur und weiterführende Links

• 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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