Die Entwicklung und Zukunft der Robotik in der Fertigung

In der Industrie bestehen viele Arbeitsplätze aus sich ständig wiederholenden körperlichen Aufgaben, etwa dem Heben und Zusammenbauen schwerer Teile. Solche manuellen Aufgaben können gefährlich sein. Allein in den Vereinigten Staaten wurden 2023 insgesamt 5.283 tödliche Arbeitsunfälle gemeldet.

Mit der zunehmenden Verbreitung intelligenter Industrieroboter und Technologien wie künstlicher Intelligenz (AI) und Bildverarbeitung werden viele dieser risikoreichen Aufgaben inzwischen jedoch von Maschinen übernommen. Roboter in der Fertigung können schwere Materialien heben, Anlagen auf Probleme prüfen und mit Menschen zusammenarbeiten, um Sicherheit und Effizienz in der Fabrik zu verbessern.

In diesem Artikel sehen wir uns an, wie Industrieroboter die Arbeit in Fabriken verändern und zu sichereren und produktiveren Arbeitsplätzen beitragen.

Was sind Industrieroboter?#

Industrieroboter sind intelligente Maschinen, die speziell für Aufgaben in der Fertigung entwickelt wurden. Roboter in der Fertigung werden in der Regel entweder dafür gebaut, schwere Produktkomponenten wie Auto- oder Flugzeugteile zu heben, oder sehr schnell kleine, detailreiche Aufgaben auszuführen, zum Beispiel elektronische Schaltungen zusammenzubauen oder Produkte zu verpacken.

Anders als die humanoiden Roboter, die wir häufig in Science-Fiction-Filmen wie The Terminator oder I, Robot sehen, sind Industrieroboter meist stationär und mit einem einzelnen Roboterarm ausgestattet. Dieser Roboterarm kann sich typischerweise in mehrere Richtungen bewegen und für verschiedene Aufgaben in der Fertigung programmiert werden, etwa zum Schweißen, Montieren oder Bewegen von Materialien.

Industrieroboter eignen sich besonders gut für sich wiederholende Arbeiten, die sie schnell und präzise und ohne Pausen erledigen können. Dadurch sind sie ideal für den Einsatz in Fabriken und Lagern. Weltweit sind daher mehr als 4 Millionen Roboter in Fabriken im Einsatz.

Arten von Industrierobotern#

Roboter kommen in Fabriken immer häufiger zum Einsatz und übernehmen verschiedenste Aufgaben. Hier sind einige Arten von Industrierobotern und Beispiele dafür, wie sie die Arbeit in Fabriken effizienter und sicherer machen:

• Kartesische Roboter: Diese Roboter werden auch Portalroboter genannt und bewegen sich mithilfe von drei Schiebegelenken entlang der X-, Y- und Z-Achse auf geraden Bahnen. Ihr einfacher Aufbau ermöglicht eine hohe Präzision und macht sie ideal für Fertigungs- und Automatisierungsaufgaben.
• Gelenkarmroboter: Diese Roboter mit Gelenkarm ahmen mithilfe mehrerer Drehgelenke die Bewegung eines menschlichen Arms nach. Sie sind flexibel, bieten einen großen Bewegungsbereich und werden häufig bei der Montage, beim Lackieren und beim Verpacken eingesetzt.
• Delta-Roboter: Delta-Roboter bestehen aus drei leichten Armen, die mit einer dreieckigen Basis verbunden sind, und sind auf Geschwindigkeit und Beweglichkeit ausgelegt. Sie eignen sich besonders für schnelle Pick-and-Place-Aufgaben, vor allem in der Verpackungsindustrie.
• Polarroboter: Polarroboter gehören zu den ältesten Arten von Industrierobotern. Mithilfe einer Kombination aus Dreh- und Lineargelenken erreichen sie einen kugelförmigen Bewegungsbereich. Sie eignen sich für Aufgaben, die eine große Reichweite in mehrere Richtungen erfordern.
• SCARA-Roboter: SCARA steht für Selective Compliance Assembly Robot Arm. SCARA-Roboter verwenden zwei Drehgelenke und ein Lineargelenk. Sie eignen sich ideal für Aufgaben, bei denen schnelle und präzise horizontale und vertikale Bewegungen erforderlich sind, etwa bei der Montage elektronischer Bauteile und in der Lebensmittelverarbeitung.

Geschichte der Robotik in der Fertigung#

Bevor wir uns konkrete Beispiele dafür ansehen, wie Industrieroboter etwas bewirken, werfen wir einen Blick auf die Entwicklung der Roboter in der Fertigung, um besser zu verstehen, wie sich die Industrierobotik im Laufe der Jahre verändert hat:

• Frühe Fertigung (vor der Robotik): Vor der Robotik stützte sich die Fertigung vollständig auf manuelle Arbeit und einfache Werkzeuge. Die Industrielle Revolution brachte Dampfkraft, Maschinen und Fließbänder hervor. Das steigerte die Produktivität, doch viele Aufgaben blieben repetitiv, gefährlich oder arbeitsintensiv.
• Einführung von Industrierobotern (1950er- bis 1980er-Jahre): 1954 erfand George Devol Unimate, den ersten programmierbaren Roboter. 1961 setzte General Motors ihn zum Druckgießen und Schweißen ein; damit war er der erste eingesetzte Industrieroboter. Das war ein großer Umbruch: Gefährliche und monotone Aufgaben wurden automatisiert, insbesondere in der Automobilfertigung.
• Verbreitung und Weiterentwicklung (1990er- bis 2000er-Jahre): Roboter wurden schneller, präziser und erschwinglicher. Sie fanden zunehmend in Branchen wie der Elektronik, der Pharmaindustrie und der Lebensmittelverarbeitung Einsatz. Dank flexibler Automatisierung konnten Roboter mehrere Aufgaben mit minimalem Umprogrammierungsaufwand übernehmen.
• Aufstieg kollaborativer Roboter (2010er-Jahre bis heute): Kollaborative Roboter, kurz Cobots, wurden entwickelt, um sicher mit Menschen zusammenzuarbeiten. Mit integrierten Sensoren, KI und Kamerasystemen können sie sich an ihre Umgebung anpassen und bei komplexen oder heiklen Aufgaben helfen.

Abb. 1: George Devols Unimate-Roboter. (Quelle)

Mit Blick auf die Zukunft werden Industrieroboter wahrscheinlich noch intelligenter und anpassungsfähiger. Forschende und Ingenieure arbeiten aktiv an Technologien, mit denen Roboter lernen, sich auf neue Situationen einstellen und auf unterstützende und flexible Weise enger mit Menschen zusammenarbeiten können.

Beispiele für Industrierobotik#

Als Nächstes sehen wir uns Beispiele aus der Praxis für Roboter in der Fertigung an und erfahren, wie sie in Fabriken eingesetzt werden.

Industrieroboter im Flugzeugbau#

Der Flugzeugbau umfasst komplexe und anspruchsvolle Prozesse, besonders bei großen Flugzeugen wie der Boeing 777. Für die Montage einer einzelnen 777 werden beispielsweise mehr als 60.000 Nieten benötigt. Traditionell waren dafür zwei Beschäftigte nötig: eine Person bediente die Nietpistole, während die andere hinter dem Blech eine Stahlstange hielt, um das Verbindungselement zu sichern.

Solche Aufgaben können körperlich anstrengend sein und zu Verletzungen an Armen, Rücken und Schultern führen. Außerdem ist Präzision im Flugzeugbau entscheidend, und Fehler sind kaum zu tolerieren.

Um solche Arbeitsabläufe zu verbessern, setzt Boeing Industrieroboter ein. In seinem 777-Werk in Everett im US-Bundesstaat Washington führte das Unternehmen das System Fuselage Automated Upright Build (FAUB) ein – ein robotergestütztes Montageverfahren, das das Bohren und Nieten von Rumpfsegmenten automatisiert.

Abb. 2: FAUB-Roboter bei der Arbeit am Rumpf eines Boeing-Flugzeugs. (Quelle)

Nach der Programmierung können diese Roboter Zehntausende präziser Löcher für Nieten bohren. Anders als die älteren Anlagen mit fest installierten Vorrichtungen sind die FAUB-Roboter mobil und können sich auf fahrerlosen Transportfahrzeugen entlang der Montagelinien bewegen. Nachdem die Mitarbeiter die Rumpfplatten positioniert haben, übernehmen die Roboter das Bohren und Nieten und erhöhen so sowohl die Geschwindigkeit als auch die Genauigkeit. Dieser Ansatz steht im Einklang mit den jüngsten Entwicklungen in der Robotikbranche, die weiterhin auf intelligentere, sicherere und effizientere Fertigungslösungen hinarbeitet.

Lebensmittelherstellung mit Industrierobotern#

Roboter kommen auch in der Lebensmittelindustrie immer häufiger zum Einsatz. Im Nestlé-Werk in Deutschland wird die Herstellung von Babynahrung beispielsweise über eine vollständig automatisierte Verpackungslinie abgewickelt. Roboter übernehmen Aufgaben wie das Bewegen gefüllter und versiegelter Lebensmittelbehälter in Sterilisationskörbe und anschließend in Versandverpackungen. Dadurch wird der gesamte Ablauf schneller, sicherer und zuverlässiger.

Nestlé setzt außerdem mobile Roboter wie Spot von Boston Dynamics ein, um Wartungsprobleme in seinen Werken zu überwachen. Anders als herkömmliche fest installierte Sensoren, die Probleme nur in bestimmten Bereichen erkennen können, bewegt sich Spot frei durch die Fabrik. Diese mobile und flexible Automatisierung ist ein wachsender Trend in der Robotikbranche.

Spot kann Treppen steigen, enge Räume durchqueren und sich auf unebenen Böden bewegen. Er ist mit speziellen Sensoren ausgestattet, mit denen er Fabrikmaschinen wie Motoren und Kompressoren auf Hitze, Geräusche und andere Warnsignale überprüfen kann. Spot kann Probleme zudem frühzeitig erkennen und so dabei helfen, sie zu beheben, bevor sie ernst werden.

Abb. 3: Spot, ein Industrieroboter, inspiziert eine Lebensmittelproduktionsstätte. (Quelle)

Automobilbau mit Unterstützung von Industrierobotern#

Industrieroboter sind seit jeher ein zentraler Bestandteil des Automobilbaus. Tatsächlich entfallen in den USA 33 % aller Installationen von Industrierobotern auf die Automobilindustrie.

Ein interessantes Beispiel dafür ist das BMW-Werk in Spartanburg im Jahr 2013. Dort arbeiteten Menschen und Roboter Seite an Seite am Türmontageband, ohne durch Sicherheitszäune getrennt zu sein. Damit war es das erste BMW-Werk, in dem diese Art der direkten Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter in der regulären Produktion zum Einsatz kam.

Vier Roboter wurden eingesetzt, um Schall- und Feuchtigkeitsdämmung in den Türen der BMW-X3-Modelle anzubringen. Beschäftigte positionierten die Klebefolie zunächst und drückten sie leicht an. Anschließend übernahmen die Roboter und erledigten die Arbeit mit hoher Präzision mithilfe von Rollenköpfen.

Das System war vollständig automatisiert und konnte den während des Prozesses ausgeübten Druck genau messen, sodass die Qualität kontinuierlich überwacht werden konnte. Wurde die Arbeit des Roboters unterbrochen, konnte eine beschäftigte Person problemlos einspringen und die Aufgabe von Hand erledigen. So lief die Produktion ohne Verzögerungen weiter.

Abb. 4: Roboter arbeiten Seite an Seite mit Beschäftigten in einer Autofabrik. (Quelle)

Vorteile der Robotik in der Fertigung#

Sehen wir uns nun einige der wichtigsten Vorteile von Robotern in der Fertigung genauer an.

• Präzision und Genauigkeit: Industrieroboter arbeiten äußerst präzise und schnell. Manche können Aufgaben mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich ausführen.
• Zuverlässigkeit: Industrieroboter können bis zu 100.000 Stunden störungsfrei arbeiten und lange Zeit ohne Unterbrechung im Einsatz sein.
• Mehr Sicherheit am Arbeitsplatz: Roboter übernehmen auch gefährliche Aufgaben, etwa Arbeiten in beengten Räumen oder mit gefährlichen Stoffen. Dadurch lassen sich 35 % der durch Verletzungen verlorenen Arbeitstage vermeiden.
• Höhere Produktivität: Anders als Menschen brauchen Roboter weder Pausen noch freie Tage oder Ruhezeiten. Sie können rund um die Uhr arbeiten und so die Produktivität deutlich steigern.
• Kosteneffizienz: Die Anschaffung und Installation dieser Roboter kann anfangs teuer sein, langfristig bringen sie jedoch erhebliche Einsparungen. Sie senken die Arbeitskosten, verringern mögliche Fehler und reduzieren verletzungsbedingte Ausgaben.
• Skalierbarkeit: Sobald Roboter eingerichtet sind, können Hersteller die Produktion leichter steigern, ohne zusätzliche Beschäftigte einstellen oder größere Veränderungen vornehmen zu müssen. So können Hersteller schnell auf eine steigende Nachfrage reagieren und in einem sich wandelnden Markt flexibel bleiben.

Herausforderungen und Grenzen der Robotik in der Fertigung#

Industrieroboter bieten zwar viele Vorteile, bringen aber auch einige Herausforderungen mit sich, insbesondere hinsichtlich Fachwissen und Wartung. Für den Einsatz in Fabriken braucht es qualifizierte Fachkräfte, die die Roboter programmieren, bedienen und warten.

Auch wenn viele heute in der Industrie eingesetzte Roboter künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen nutzen, müssen sie weiterhin regelmäßig gewartet werden, um Ausfälle zu vermeiden. Fehlt einem Fertigungsteam dieses Wissen, kann die Schulung des Personals sowohl teuer als auch zeitaufwendig sein.

Interessanterweise bietet Vision AI, genauer gesagt die Bildverarbeitung, eine Lösung für diese Herausforderungen. Die Bildverarbeitung ist ein Teilgebiet der KI, das sich mit dem Verständnis visueller Daten befasst. Bildverarbeitungsmodelle wie Ultralytics YOLO11 lassen sich beispielsweise darauf trainieren, Industrieroboter zu erkennen und zu verfolgen. Erkenntnisse aus der Verfolgung dieser Roboter mit YOLO11 können dabei helfen, Probleme frühzeitig zu erkennen – ein Verfahren, das als vorausschauende Wartung bekannt ist. Dadurch sinkt der Bedarf an fachkundiger Überwachung, und unerwartete Ausfälle werden seltener.

Darüber hinaus kann Bildverarbeitung auch die Erstellung digitaler Zwillinge in Echtzeit unterstützen. Digitale Zwillinge sind virtuelle Modelle physischer Maschinen und Roboter, die anhand visueller Daten aus der Fertigungsumgebung erstellt werden.

Mit digitalen Zwillingen können Hersteller Anlagen in Echtzeit überwachen, Probleme erkennen, bevor sie Störungen verursachen, und Prozessverbesserungen testen, ohne die tatsächliche Produktion zu unterbrechen. Diese Technologie sorgt für eine gleichmäßigere Leistung, verbessert die Entscheidungsfindung und verringert kostspielige Ausfallzeiten.

Technologien für künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen#

Bei den Herausforderungen des Einsatzes von Industrierobotern haben wir gesehen, dass viele Roboter inzwischen mit KI und maschinellem Lernen arbeiten. Doch wie funktioniert das genau, und welche Rolle spielt KI in der Robotik?

Herkömmliche Industrieroboter sind auf festgelegte, repetitive Aufgaben beschränkt. Sie folgen vorprogrammierten Anweisungen und können sich nur schwer an Veränderungen in der Produktionslinie anpassen. Dadurch sind sie in Umgebungen weniger effizient, in denen Flexibilität, Geschwindigkeit und Genauigkeit entscheidend sind.

Ohne KI können Roboter Produktfehler nicht in Echtzeit erkennen und sich nicht an geringfügige Abweichungen bei Materialien oder der Positionierung anpassen. Das führt oft zu langsameren Abläufen, mehr Fehlern und längeren Ausfallzeiten. KI in der Fertigung ermöglicht Robotern, über einfache, vorprogrammierte Aufgaben hinauszugehen.

Mit maschinellem Lernen in der Fertigung können Roboter Daten aus ihrer Umgebung analysieren, Muster erkennen und ihre Leistung mit der Zeit verbessern. Ein bildverarbeitender Roboter kann beispielsweise verschiedene Objekte auf einer Montagelinie erkennen, seine Bewegungen anhand des Gesehenen anpassen und sogar Fehler oder Anomalien in Echtzeit feststellen. Computer Vision ist die treibende Kraft hinter dieser Fähigkeit.

Ein bildverarbeitungsfähiger Roboter verfügt normalerweise über die nötige Hardware, um Bildverarbeitungsmodelle wie Ultralytics YOLO11 auszuführen. Durch die Integration von Kameras und Bildverarbeitung erhält ein Roboter die Fähigkeiten des zugrunde liegenden Modells. Mit YOLO11 kann ein Roboter beispielsweise Bildverarbeitungsaufgaben wie Objekterkennung, Verfolgung und Segmentierung ausführen.

Die Auswirkungen des Internets der Dinge (IoT)#

Zwei weitere Konzepte im Zusammenhang mit Industrierobotern sind das Internet der Dinge in der Fertigung und Edge Computing. Das Internet der Dinge bezeichnet ein Netzwerk verbundener Geräte, die Daten erfassen und austauschen, hauptsächlich über das Internet. Edge Computing verarbeitet Daten dagegen direkt an der Quelle, etwa an einem Roboter oder Sensor, ohne sie zuerst an einen zentralen Server senden zu müssen.

Wenn Geräte des industriellen IoT (IIoT) große Datenmengen erfassen, kann deren Übermittlung an ein zentrales Cloud-System zur Analyse Verzögerungen – sogenannte Latenz – verursachen und Abläufe verlangsamen. Durch den Einsatz von Edge Computing zusammen mit IoT können Hersteller die Daten jedoch sofort verarbeiten, in Echtzeit reagieren und die Automatisierung vorantreiben.

Vorausschauende Wartung ist ein anschauliches Beispiel für das Zusammenspiel von KI und IoT in der Fertigung. In intelligenten Fabriken ist eines der wichtigsten Ziele von Industrie 4.0, Geräteausfälle vorherzusehen, bevor sie auftreten.

Dafür müssen IIoT-Geräte jederzeit voll funktionsfähig und zuverlässig sein. Durch die Kombination von Edge Computing, KI und Bildverarbeitung können diese Geräte ihren eigenen Zustand kontinuierlich überwachen, erkennen, wann Wartung oder Aufladen nötig ist, und die erforderlichen Maßnahmen automatisch auslösen. So laufen Maschinen reibungslos, ungeplante Ausfallzeiten werden reduziert und die Gesamteffizienz steigt.

Wie Automatisierung und Robotik die Effizienz in der Fertigung verbessern#

Nachdem wir nun Technologien wie KI, Bildverarbeitung, IoT und Edge Computing besser kennengelernt haben, sehen wir uns an, wie sie zusammen die Automatisierung in der Fertigung effizienter machen können.

Das Hauptziel der Automatisierung ist es, Abläufe zu vereinfachen, zu beschleunigen, zuverlässiger zu machen und weniger anfällig für menschliche Fehler zu gestalten. Nehmen wir zum Beispiel eine Fabrik, in der Unterhaltungselektronik wie Smartphones montiert wird. Bildverarbeitungsfähige Roboterarme können die heikle Aufgabe übernehmen, winzige Bauteile präzise auf Leiterplatten zu platzieren.

Gleichzeitig können KI-gestützte Bildverarbeitungssysteme jeden Montageschritt prüfen und Fehler wie falsch ausgerichtete Bauteile oder fehlerhafte Lötstellen in Echtzeit erkennen. IoT-Sensoren können währenddessen Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Staub und Vibrationen überwachen, die die Qualität empfindlicher Bauteile beeinträchtigen könnten.

Mit Edge Computing kann das System diese Daten sofort verarbeiten und direkt Anpassungen vornehmen, etwa die Fertigungslinie anhalten oder einen Roboter neu kalibrieren, ohne auf Antworten aus der Cloud warten zu müssen. Zusammen ermöglichen diese Technologien eine automatisierte Fertigung mit einer schnelleren, präziseren und äußerst anpassungsfähigen Produktionslinie, die eine höhere Produktqualität und geringere Betriebskosten mit sich bringt.

Wie verändert die Robotik die Zukunft der Fertigung?#

Die Zukunft der Industrieroboter entwickelt sich rasant. Technologien wie Vision AI in der Fertigung und das IoT spielen dabei eine wichtige Rolle. Mit diesen Werkzeugen können Roboter erkennen, woran sie arbeiten, Fehler aufspüren, die Produktqualität prüfen und Probleme vorhersehen, während sie entstehen. Viele Hersteller nutzen solche Systeme bereits, um ihre Abläufe effizienter und gleichmäßiger zu gestalten.

Der Markt für Industrierobotik wächst stetig. Dieses Wachstum ist auf kontinuierliche Verbesserungen in der Robotik, den einfacheren Zugang zu qualifizierten Ingenieuren sowie den Einsatz von Simulationen und virtuellen Tests zurückzuführen. Dank dieser Entwicklungen lassen sich Roboter schneller für den Einsatz unter realen Bedingungen konzipieren und optimieren. Immer mehr Fabriken setzen digitale Werkzeuge und Automatisierung ein und werden dadurch flexibler, zuverlässiger und besser auf künftige Herausforderungen vorbereitet.

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