Die Entwicklung und Zukunft der Robotik in der Fertigung

Industrielle Arbeitsplätze umfassen häufig immer wieder dieselben körperlichen Aufgaben, etwa das Heben und Zusammenbauen schwerer Teile. Diese manuellen Tätigkeiten können riskant sein. Im Jahr 2023 wurden allein in den Vereinigten Staaten 5.283 tödliche Arbeitsunfälle gemeldet.

Mit der zunehmenden Nutzung intelligenter Industrieroboter und Technologien wie künstlicher Intelligenz (AI) und Computer Vision werden viele dieser risikoreichen Aufgaben jedoch inzwischen von Maschinen übernommen. Roboter in der Fertigung können heute 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 Arbeitsweise von Fabriken verändern und dabei helfen, sicherere und produktivere Arbeitsplätze zu schaffen. Legen wir los!

Was sind Industrieroboter?#

Industrieroboter sind intelligente Maschinen, die speziell zur Unterstützung bei Aufgaben in der Fertigung entwickelt wurden. Insbesondere werden Roboter in der Fertigung meist entweder zum Heben schwerer Produktkomponenten wie Auto- oder Flugzeugteilen oder zur besonders schnellen Ausführung kleiner, detailreicher Aufgaben eingesetzt, etwa zur Montage elektronischer Schaltungen oder zum Verpacken von Produkten.

Anders als die humanoiden Roboter, die wir häufig in Science-Fiction-Filmen wie The Terminator oder I, Robot sehen, sind Industrieroboter in der Regel 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 die schnelle und präzise Ausführung repetitiver Arbeiten, ohne Pausen zu benötigen. Das macht sie ideal für den Einsatz in Fabriken und Lagern. Daher werden weltweit mehr als 4 Millionen Roboter in Fabriken eingesetzt.

Arten von Industrierobotern#

Roboter in Fabriken werden immer häufiger eingesetzt und übernehmen eine große Bandbreite an Aufgaben. Hier sind einige verschiedene Arten von Industrierobotern und ihre Einsatzmöglichkeiten, um die Arbeit in Fabriken effizienter und sicherer zu machen:

• Kartesische Roboter: Diese auch als Portalroboter bezeichneten Roboter bewegen sich mithilfe von drei Gleitgelenken entlang gerader Linien auf den X-, Y- und Z-Achsen. Ihr einfacher Aufbau ermöglicht eine hohe Präzision und macht sie ideal für Aufgaben in der Fertigung und Automatisierung.

• Gelenkroboter: Diese Roboter mit gegliedertem Arm ahmen mithilfe mehrerer Drehgelenke die Bewegung eines menschlichen Arms nach. Sie bieten Flexibilität und einen großen Bewegungsbereich und werden häufig bei der Montage, beim Lackieren und beim Verpacken eingesetzt.

• Delta-Roboter: Delta-Roboter verfügen über drei leichte Arme, die mit einer dreieckigen Basis verbunden sind, und sind auf Geschwindigkeit und Agilität ausgelegt. Sie eignen sich besonders für schnelle Pick-and-Place-Vorgänge, insbesondere in der Verpackungsindustrie.

• Polare Roboter: Polare Roboter gehören zu den frühesten Arten von Industrierobotern und verwenden eine Kombination aus Dreh- und Lineargelenken, um einen kugelförmigen Bewegungsbereich zu ermöglichen. 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 sind ideal für Aufgaben, die schnelle und präzise horizontale und vertikale Bewegungen erfordern, etwa die Montage elektronischer Bauteile und die Lebensmittelverarbeitung.

Geschichte der Robotik in der Fertigung#

Bevor wir uns konkrete Beispiele dafür ansehen, wie Industrieroboter Veränderungen bewirken, betrachten wir zunächst die Entwicklung von Robotern in der Fertigung und gewinnen ein besseres Verständnis dafür, wie sich die Industrierobotik im Laufe der Jahre verändert hat:

• Frühe Fertigung (Zeit vor der Robotik): Vor der Robotik stützte sich die Fertigung vollständig auf manuelle Arbeit und einfache Werkzeuge. Die Industrielle Revolution führte Dampfkraft, Maschinen und Fließbänder ein. Dadurch stieg 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. Bis 1961 hatte General Motors ihn für Druckguss und Schweißarbeiten eingesetzt, womit er zum ersten eingesetzten Industrieroboter wurde. Dies markierte einen bedeutenden Wandel und automatisierte gefährliche und repetitive Aufgaben, insbesondere in der Automobilfertigung.

• Ausweitung und Weiterentwicklung (1990er- bis 2000er-Jahre): Roboter wurden schneller, präziser und erschwinglicher. Ihr Einsatz weitete sich auf Branchen wie Elektronik, Pharmazie und Lebensmittelverarbeitung aus. Die flexible Automatisierung ermöglichte es Robotern, mehrere Aufgaben mit nur geringem Neuprogrammieraufwand zu übernehmen.

• Aufstieg kollaborativer Roboter (2010er-Jahre bis heute): Kollaborative Roboter, auch Cobots genannt, wurden entwickelt, um sicher mit Menschen zusammenzuarbeiten. Ausgestattet mit integrierten Sensoren, AI und Kamerasystemen können sie sich an ihre Umgebung anpassen und bei komplexen oder empfindlichen Aufgaben unterstützen.

Abb. 1. Der Unimate-Roboter von George Devol. (Quelle)

Mit Blick auf die Zukunft ist es wahrscheinlich, dass Industrieroboter noch intelligenter und anpassungsfähiger werden. Forschende und Ingenieure arbeiten aktiv an Technologien, die es Robotern ermöglichen, zu lernen, sich auf neue Situationen einzustellen und auf unterstützende und dynamische Weise enger mit Menschen zusammenzuarbeiten.

Beispiele für Industrierobotik#

Als Nächstes sehen wir uns Beispiele aus der Praxis an und erfahren, wie Roboter in der Fertigung auf dem Fabrikgelände eingesetzt werden.

Industrieroboter in der Flugzeugfertigung#

Die Flugzeugfertigung umfasst komplexe und empfindliche Prozesse, insbesondere 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 Arbeitskräfte erforderlich: eine Person bediente die Nietpistole, während die andere hinter dem Bauteil eine Stahlstange hielt, um das Verbindungselement zu sichern.

Solche Aufgaben können körperlich anstrengend sein und zu Verletzungen an Armen, Rücken und Schultern führen. Darüber hinaus ist Präzision in der Flugzeugfertigung entscheidend, sodass nur wenig Spielraum für Fehler besteht.

Um solche Arbeitsabläufe zu verbessern, setzt Boeing Industrieroboter ein. In seinem 777-Werk in Everett, Washington, führte das Unternehmen das System Fuselage Automated Upright Build (FAUB) ein, einen robotergestützten Montageprozess zur Automatisierung des Bohrens und Nietens von Rumpfsegmenten.

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

Nach der Programmierung können diese Roboter Zehntausende perfekte Löcher für Nieten bohren. Anders als die ältere Anlage mit fest installierten Vorrichtungen sind FAUB-Roboter mobil und können sich auf geführten Fahrzeugen entlang der Montagebänder bewegen. Nachdem die Arbeitskräfte die Rumpfplatten positioniert haben, übernehmen die Roboter das Bohren und Nieten, wodurch sowohl Geschwindigkeit als auch Genauigkeit steigen. Dieser Ansatz entspricht den jüngsten Entwicklungen in der Robotikbranche, die weiterhin auf intelligentere, sicherere und effizientere Lösungen für die Fertigung hinarbeitet.

Lebensmittelherstellung mit Unterstützung von Industrierobotern#

Roboter werden auch in der Lebensmittelindustrie zunehmend eingesetzt. Im Nestlé-Werk in Deutschland wird beispielsweise die Herstellung von Babynahrung über eine vollständig automatisierte Verpackungslinie gesteuert. Roboter übernehmen Aufgaben wie das Befördern befüllter und versiegelter Lebensmittelschalen in Sterilisationskisten und anschließend in Verpackungen für den Versand. Dadurch wird der gesamte Betrieb schneller, sicherer und zuverlässiger.

Nestlé setzt außerdem mobile Roboter wie Spot von Boston Dynamics ein, um Wartungsprobleme in seinen Anlagen zu überwachen. Anders als herkömmliche fest installierte Sensoren, die Probleme nur in bestimmten Bereichen erkennen können, bewegt sich Spot frei durch die Fabrik. Dieses Konzept der mobilen, flexiblen 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, die Fabrikmaschinen wie Motoren und Kompressoren auf Hitze, ungewöhnliche Geräusche oder andere Warnzeichen prüfen. Spot kann Probleme außerdem frühzeitig erkennen und so dazu beitragen, sie zu beheben, bevor sie schwerwiegend werden.

Abb. 3. Spot, ein Industrieroboter, bei der Inspektion einer Anlage zur Lebensmittelherstellung. (Quelle)

Automobilfertigung mit Unterstützung von Industrierobotern#

Industrieroboter sind seit jeher ein wichtiger Bestandteil der Automobilfertigung. Tatsächlich entfallen in den USA 33 % aller Installationen von Industrierobotern auf die Automobilindustrie.

Ein interessantes Beispiel ist das BMW-Werk in Spartanburg im Jahr 2013. In dieser Anlage arbeiteten Menschen und Roboter ohne Sicherheitszäune Seite an Seite am Türmontageband. Damit war es das erste BMW-Werk, das diese Form der direkten Zusammenarbeit zwischen Menschen und Robotern in der regulären Produktion einsetzte.

Vier Roboter wurden eingesetzt, um Schall- und Feuchtigkeitsisolierungen in den Türen von BMW-X3-Modellen anzubringen. Zunächst positionierten die Arbeitskräfte die Klebefolie und drückten sie leicht an. Anschließend übernahmen die Roboter und erledigten die Arbeit mithilfe von Walzenköpfen mit hoher Präzision.

Das System war vollständig automatisiert und konnte den während des Prozesses ausgeübten Druck exakt messen, wodurch eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung möglich war. Wurde die Arbeit des Roboters unterbrochen, konnte eine Arbeitskraft problemlos eingreifen und die Aufgabe manuell abschließen. So lief die Produktion ohne Verzögerungen weiter.

Abb. 4. Roboter bei der Zusammenarbeit mit Arbeitskräften in einer Automobilfabrik. (Quelle)

Vorteile der Robotik in der Fertigung#

Als Nächstes sehen wir uns einige der wichtigsten Vorteile des Einsatzes von Robotern in der Fertigung genauer an.

• Präzision und Genauigkeit: Industrieroboter bieten ein hohes Maß an Präzision und Geschwindigkeit. Einige können Aufgaben mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich ausführen.

• Zuverlässigkeit: Mit einer Lebensdauer von bis zu 100.000 Stunden ohne Ausfälle können Industrieroboter lange Zeit ohne Unterbrechung arbeiten.

• Verbesserte Arbeitssicherheit: Roboter übernehmen außerdem gefährliche Aufgaben, etwa Arbeiten in beengten Bereichen oder mit Gefahrstoffen, und tragen dazu bei, 35 % der aufgrund von Verletzungen verlorenen Arbeitstage zu vermeiden.

• Produktivität steigern: Anders als Menschen benötigen Roboter keine Pausen, freien Tage oder Erholung. Sie können rund um die Uhr arbeiten und dadurch die Produktivität deutlich steigern.

• Kosteneffizienz: Die Anschaffung und Installation dieser Roboter kann zunächst teuer sein, langfristig führen sie jedoch zu erheblichen Einsparungen. Sie senken die Arbeitskosten, verringern potenzielle Fehler und reduzieren verletzungsbedingte Ausgaben.

• Skalierbarkeit: Sobald Roboter eingerichtet sind, können Hersteller die Produktion leichter steigern, ohne zusätzliche Arbeitskräfte einstellen oder größere Änderungen vornehmen zu müssen. Dadurch können sie 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 im Hinblick auf Fachwissen und Wartung. Für die Programmierung, Bedienung und Wartung dieser Roboter in Fabriken werden qualifizierte Fachkräfte benötigt.

Auch wenn viele Roboter in industriellen Anwendungsfällen heute künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen nutzen, müssen sie weiterhin regelmäßig gewartet werden, um Ausfälle zu verhindern. Verfügt ein Herstellerteam noch nicht über dieses Wissen, kann die Schulung der Mitarbeitenden sowohl teuer als auch zeitaufwendig sein.

Interessanterweise bietet auch Vision AI, genauer gesagt Computer Vision, eine Lösung für diese Herausforderungen. Computer Vision ist ein Bereich der AI, der sich auf das Verstehen visueller Daten konzentriert. Modelle für Computer Vision wie Ultralytics YOLO11 können beispielsweise darauf trainiert werden, Industrieroboter zu erkennen und zu verfolgen. Erkenntnisse aus der Verfolgung dieser Roboter mit YOLO11 können dazu verwendet werden, Probleme frühzeitig zu erkennen (bekannt als vorausschauende Wartung). Dadurch sinkt der Bedarf an fachlicher Überwachung und unerwartete Ausfälle werden reduziert.

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

Digitale Zwillinge ermöglichen es Herstellern, Anlagen in Echtzeit zu überwachen, Probleme zu erkennen, bevor sie Störungen verursachen, und Prozessverbesserungen zu testen, ohne die tatsächliche Produktion zu unterbrechen. Diese Technologie sorgt für eine gleichmäßigere Leistung, verbessert die Entscheidungsfindung und reduziert kostspielige Stillstandszeiten.

Technologien für künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen#

Bei der Erörterung der Herausforderungen beim Einsatz von Industrierobotern haben wir gesehen, dass viele inzwischen durch AI und maschinelles Lernen gesteuert werden. Doch wie funktioniert das eigentlich, und welche Rolle spielt AI in der Robotik?

Herkömmliche Industrieroboter sind auf festgelegte, repetitive Aufgaben beschränkt. Sie befolgen vorprogrammierte 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 AI können Roboter Produktfehler nicht in Echtzeit erkennen und sich nicht an geringfügige Abweichungen bei Materialien oder Positionierungen anpassen. Dies führt häufig zu langsameren Prozessen, mehr Fehlern und längeren Stillstandszeiten. AI in der Fertigung ermöglicht es Robotern, über einfache, vorprogrammierte Aufgaben hinauszugehen.

Mit maschinellem Lernen in der Fertigung können Roboter Daten aus ihrer Umgebung analysieren, Muster erkennen und ihre Leistung im Laufe der Zeit verbessern. Ein Roboter mit Bildverarbeitung kann beispielsweise verschiedene Objekte auf einem Montageband erkennen, seine Bewegungen anhand des Gesehenen anpassen und sogar Fehler oder Anomalien in Echtzeit feststellen. Hinter den Kulissen ist Computer Vision die treibende Kraft hinter dieser Innovation.

Ein Roboter mit Bildverarbeitung ist typischerweise mit der erforderlichen Hardware ausgestattet, um Modelle für Computer Vision wie Ultralytics YOLO11 auszuführen. Wird ein Roboter mit Kameras und Computer Vision integriert, erhält er die Fähigkeiten des zugrunde liegenden Modells. Im Fall von YOLO11 bedeutet dies, dass ein Roboter Aufgaben der Computer Vision wie Objekterkennung, Verfolgung und Segmentierung ausführen kann.

Die Auswirkungen des Internets der Dinge (IoT)#

Zwei weitere Konzepte im Zusammenhang mit Industrierobotern sind IoT in der Fertigung und Edge Computing. IoT bezeichnet ein Netzwerk verbundener Geräte, die Daten sammeln und gemeinsam nutzen (hauptsächlich über das Internet). Edge Computing verarbeitet die Daten dagegen direkt an der Quelle, etwa in einem Roboter oder Sensor, ohne sie zunächst vollständig an einen zentralen Server senden zu müssen.

Wenn industrielle IoT-Geräte (IIoT) große Datenmengen sammeln, kann das Senden dieser Daten zur Analyse an ein zentrales System in der Cloud zu Verzögerungen (bekannt als Latenz) führen und Prozesse verlangsamen. Durch die Kombination von Edge Computing und IoT können Hersteller die Daten jedoch sofort verarbeiten, Echtzeitreaktionen ermöglichen und die Automatisierung vorantreiben.

Ein anschauliches Beispiel für das Zusammenspiel von AI und IoT in der Fertigung ist die vorausschauende Wartung. In intelligenten Fabriken besteht eines der Hauptziele von Industrie 4.0 darin, Anlagenausfälle vorherzusehen, bevor sie eintreten.

Dafür müssen IIoT-Geräte jederzeit vollständig funktionsfähig und zuverlässig sein. Durch die Kombination von Edge Computing, AI und Computer Vision können diese Geräte ihren eigenen Zustand kontinuierlich überwachen, erkennen, wann Wartung oder Aufladen erforderlich ist, und die notwendigen Maßnahmen automatisch auslösen. Dadurch bleiben Maschinen störungsfrei in Betrieb, ungeplante Stillstandszeiten werden reduziert und die Gesamteffizienz verbessert.

Wie Automatisierung und Robotik die Effizienz der Fertigung verbessern#

Nachdem wir nun Technologien wie AI, Computer Vision, IoT und Edge Computing besser verstehen, sehen wir uns an, wie sie zusammenwirken können, um die Fertigungsautomatisierung effizienter zu machen.

Das Hauptziel der Automatisierung besteht darin, Prozesse zu vereinfachen und sie schneller, zuverlässiger und weniger fehleranfällig zu machen. Stell dir beispielsweise eine Fabrik vor, in der Unterhaltungselektronik wie Smartphones montiert wird. Roboterarme mit Bildverarbeitung können die empfindliche Aufgabe übernehmen, winzige Bauteile präzise auf Leiterplatten zu platzieren.

Gleichzeitig können durch AI gesteuerte 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 Vibration überwachen, die die Qualität empfindlicher Bauteile beeinträchtigen könnten.

Mit Edge Computing kann das System diese Daten sofort verarbeiten und unmittelbar Anpassungen vornehmen, etwa die Linie anhalten oder einen Roboter neu kalibrieren, ohne auf Antworten aus der Cloud warten zu müssen. Zusammen können automatisierte Fertigungsprozesse eine schnellere, präzisere und äußerst anpassungsfähige Produktionslinie schaffen, was zu höherer Produktqualität und niedrigeren Betriebskosten führt.

Wie verändert die Robotik die Zukunft der Fertigung?#

Die Zukunft der Industrierobotik 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 auftretende Probleme vorhersagen. Viele Hersteller nutzen diese Systeme bereits, um ihre Abläufe effizienter und konsistenter zu gestalten.

Der Markt für Industrierobotik wächst kontinuierlich. Dieses Wachstum wird durch ständige Verbesserungen in der Robotik, einen leichteren Zugang zu qualifizierten Ingenieuren sowie den Einsatz von Simulationen und virtuellen Tests vorangetrieben. Diese Entwicklungen machen es schneller möglich, Roboter für den praktischen Einsatz zu entwerfen und fein abzustimmen. Da immer mehr Fabriken digitale Werkzeuge und Automatisierung einsetzen, werden sie flexibler, zuverlässiger und besser auf künftige Herausforderungen vorbereitet.

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