Die Evolution und Zukunft der Robotik in der Fertigung

Industrielle Tätigkeiten beinhalten oft immer dieselben physischen Handlungen, wie das Heben und Zusammenbauen schwerer Teile. Solche manuellen Aufgaben können riskant sein. Im Jahr 2023 wurden allein in den Vereinigten Staaten 5.283 fatal work injuries gemeldet.

Durch den wachsenden Einsatz smarter Industrieroboter und Technologien wie Künstliche Intelligenz (KI) und computer vision werden viele dieser risikoreichen Aufgaben jedoch inzwischen von Maschinen übernommen. Roboter in der Fertigung sind mittlerweile in der Lage, schwere Materialien zu heben, Anlagen auf Probleme zu untersuchen und Seite an Seite mit Menschen zu arbeiten, um die Sicherheit und Effizienz in der Fabrikhalle zu verbessern.

In diesem Artikel werfen wir einen Blick darauf, wie Industrieroboter die Arbeitsweise in Fabriken verändern und dabei helfen, sicherere und produktivere Arbeitsplätze zu schaffen. Legen wir los!

Was sind Industrieroboter?#

Industrieroboter sind intelligente Maschinen, die speziell dafür entwickelt wurden, bei manufacturing-Aufgaben zu helfen. Insbesondere sind Roboter in der Fertigung meist darauf ausgelegt, entweder schwere Produktkomponenten wie Auto- oder Flugzeugteile zu heben oder winzige, detaillierte Aufgaben sehr schnell auszuführen, wie das Montieren von elektronischen Schaltkreisen oder das Verpacken von Produkten.

Im Gegensatz zu den humanoiden Robotern, die wir oft aus Science-Fiction-Filmen wie The Terminator oder I, Robot kennen, sind Industrieroboter im Allgemeinen stationär und mit einem einzigen Roboterarm ausgestattet. Normalerweise kann sich dieser Roboterarm in verschiedene Richtungen bewegen und für unterschiedliche Aufgaben in der Fertigung programmiert werden, wie etwa Schweißen, Montieren oder das Bewegen von Materialien.

Industrieroboter eignen sich besonders gut dazu, repetitive Arbeiten schnell und präzise ohne Pausen zu erledigen, was sie ideal für den Einsatz in Fabriken und Lagern macht. Infolgedessen werden weltweit mehr als 4 million robots in Fabriken eingesetzt.

Arten von Industrierobotern#

Roboter in Fabriken werden immer häufiger eingesetzt und übernehmen eine Vielzahl von Aufgaben. Hier sind einige verschiedene Arten von Industrierobotern und wie sie eingesetzt werden, um die Fabrikarbeit effizienter und sicherer zu machen:

• Kartesische Roboter: Diese Roboter, auch Portalroboter genannt, bewegen sich entlang gerader Linien unter Verwendung von drei Schiebegelenken entlang der X-, Y- und Z-Achsen. Ihr einfaches Design ermöglicht eine hohe Präzision, was sie ideal für Fertigungs- und Automatisierungsaufgaben macht.

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

• Delta-Roboter: Mit drei leichten Armen, die an einer dreieckigen Basis befestigt sind, sind Delta-Roboter auf Geschwindigkeit und Agilität ausgelegt. Sie eignen sich gut für Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place-Vorgänge, insbesondere in der Verpackungsindustrie.

• Polarroboter: Als eine der frühesten Arten von Industrierobotern verwenden Polarroboter eine Kombination aus Dreh- und Lineargelenken, um einen sphärischen Bewegungsbereich zu bieten. Sie sind nützlich für Aufgaben, die eine weite, multidirektionale Reichweite erfordern.

• SCARA-Roboter: Kurz für Selective Compliance Assembly Robot Arm, verwenden SCARA-Roboter zwei Drehgelenke und ein Lineargelenk. Sie sind ideal für Aufgaben, die schnelle und präzise horizontale und vertikale Bewegungen erfordern, wie etwa die Elektronikmontage und Lebensmittelverarbeitung.

Geschichte der Robotik in der Fertigung#

Bevor wir uns konkrete Beispiele ansehen, wie Industrieroboter einen Unterschied machen, werfen wir einen Blick auf die Entwicklung der Roboter in der Fertigung und verschaffen uns ein besseres Verständnis davon, wie sich die Industrierobotik über die Jahre verändert hat:

• Frühe Fertigung (Vor-Roboter-Ära): Vor der Robotik beruhte die Fertigung vollständig auf manueller Arbeit und einfachen Werkzeugen. Die Industrielle Revolution brachte Dampfkraft, Maschinen und Montagelinien, was die Produktivität steigerte, aber viele Aufgaben dennoch repetitiv, gefährlich oder arbeitsintensiv ließ.

• Einführung von Industrierobotern (1950er - 1980er): Im Jahr 1954 erfand George Devol Unimate, den ersten programmierbaren Roboter. Bis 1961 hatte General Motors ihn für Druckguss und Schweißen eingesetzt, und er wurde der erste Industrieroboter im Betrieb. Dies markierte einen großen Wandel, da gefährliche und repetitive Aufgaben automatisiert wurden, insbesondere in der Automobilfertigung.

• Expansion und Verfeinerung (1990er - 2000er): Roboter wurden schneller, präziser und erschwinglicher. Ihr Einsatz weitete sich auf Branchen wie Elektronik, Pharmazie und Lebensmittelverarbeitung aus. Flexible Automatisierung ermöglichte es Robotern, mehrere Aufgaben mit minimaler Umprogrammierung zu erledigen.

• Aufstieg kollaborativer Roboter (2010er – heute): Kollaborative Roboter oder Cobots entstanden, um sicher an der Seite von Menschen zu arbeiten. Mit integrierten Sensoren, KI und camera systems können sie sich an ihre Umgebung anpassen und bei komplexen oder feinfühligen Aufgaben helfen.

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

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

Beispiele für Industrierobotik#

Als Nächstes erkunden wir Beispiele aus der realen Welt für Roboter in der Fertigung und wie sie in der Fabrikhalle eingesetzt werden.

Industrieroboter in der Flugzeugfertigung#

Aircraft manufacturing umfasst komplexe und feinfühlige Prozesse, insbesondere bei großen Flugzeugen wie der Boeing 777. Beispielsweise erfordert der Zusammenbau einer einzigen 777 mehr als 60.000 Nieten. Traditionell erforderte diese Aufgabe zwei Arbeiter: einen zum Bedienen der Nistzange bzw. Nietpistole und einen anderen, der eine Stahlstange hinter dem Paneel hält, um das Verbindungselement zu sichern.

Diese Art von Aufgaben kann körperlich anstrengend sein und zu Verletzungen an Armen, Rücken und Schultern führen. Darüber hinaus ist Präzision in der Flugzeugfertigung entscheidend, und es gibt kaum Spielraum für Fehler.

Um solche Arbeitsabläufe zu verbessern, setzt Boeing auf Industrieroboter. In seiner 777-Fabrik in Everett, Washington, führte das Unternehmen das Fuselage Automated Upright Build (FAUB)-System ein, einen robotergestützten Montageprozess, der das Bohren und Nieten von Rumpfsektionen automatisieren soll.

Abb. 2: FAUB-Roboter bei der Arbeit an einem Flugzeugrumpf von Boeing. (Source)

Einmal programmiert, können diese Roboter zehntausende perfekter Löcher für Nieten bohren. Im Gegensatz zum alten Aufbau mit festen Vorrichtungen sind FAUB-Roboter mobil und können sich entlang von Montagelinien auf geführten Fahrzeugen bewegen. Nachdem die Arbeiter die Rumpfpaneele positioniert haben, übernehmen die Roboter das Bohren und Nieten, was sowohl Geschwindigkeit als auch Genauigkeit erhöht. Dieser Ansatz steht im Einklang mit den jüngsten Entwicklungen in der Robotikbranche, die weiterhin auf intelligentere, sicherere und effizientere Lösungen in der Fertigung drängt.

Lebensmittelfertigung ermöglicht durch Industrieroboter#

Roboter in der Fertigung finden auch in der food industry breite Anwendung. In Nestlés Fabrik in Deutschland wird beispielsweise die baby food production über eine vollautomatische Verpackungslinie geregelt. Roboter übernehmen Aufgaben wie das Bewegen gefüllter und versiegelter Lebensmittelschalen in Sterilisationskisten und anschließend in die Verpackung für den Versand. Dies macht den gesamten Betrieb schneller, sicherer und zuverlässiger.

Nestlé setzt zudem mobile Roboter wie Boston Dynamics' Spot ein, um Wartungsprobleme in seinen Anlagen zu überwachen. Im Gegensatz zu herkömmlichen fest installierten Sensoren, die Probleme nur in bestimmten Bereichen erkennen können, kann sich Spot frei in der Fabrik bewegen. Dieses Konzept der mobilen, flexiblen Automatisierung ist ein wachsender Trend in der Robotikbranche.

Spot kann Treppen steigen, durch enge Räume navigieren und unebene Böden bewältigen. Er ist mit speziellen Sensoren ausgestattet, die ihm helfen, Fabrikmaschinen wie Motoren und Kompressoren auf Hitze, Lärm oder andere Warnzeichen zu prüfen. Spot kann Probleme auch leicht frühzeitig erkennen und so helfen, Probleme zu beheben, bevor sie ernst werden.

Abb. 3: Spot, ein Industrieroboter, inspiziert eine Lebensmittelproduktionsanlage. (Source)

Herstellung von Autos mit Hilfe von Industrierobotern#

Industrieroboter waren schon immer ein zentraler Bestandteil der Autofertigung. Tatsächlich entfallen 33 % aller industrial robot installations in den USA auf die Automobilindustrie.

Ein interessantes Beispiel hierfür ist das BMW-Werk in Spartanburg im Jahr 2013. In dieser Anlage arbeiteten Menschen und Roboter ohne Sicherheitszäune an der Türmontagelinie Seite an Seite, was es zum ersten BMW-Werk machte, das diese Art der direkten Mensch-Roboter-Kollaboration in der regulären Produktion einsetzte.

Vier Roboter wurden eingesetzt, um Schall- und Feuchtigkeitsisolierung in den Türen der BMW X3-Modelle anzubringen. Die Arbeiter platzierten und drückten die Klebefolie zunächst leicht in Position, und dann übernahmen die Roboter, die mit Rollköpfen arbeiteten, um die Arbeit mit hoher Präzision abzuschließen.

Das System war vollautomatisiert und konnte den genauen Druck messen, der während des Prozesses ausgeübt wurde, was eine ständige Qualitätsüberwachung ermöglichte. Wenn die Arbeit des Roboters jemals unterbrochen wurde, konnte ein menschlicher Arbeiter leicht eingreifen und die Aufgabe manuell beenden, wodurch die Produktion ohne Verzögerungen weiterlief.

Abb. 4: Roboter arbeiten neben Beschäftigten in einem Autowerk. (Source)

Vorteile der Robotik in der Fertigung#

Als Nächstes schauen 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 sind in der Lage, Aufgaben mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer auszuführen.

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

• Erhöhte Sicherheit am Arbeitsplatz: Roboter übernehmen zudem gefährliche Aufgaben wie Arbeiten in engen Räumen oder im Umgang mit Gefahrstoffen, wodurch 35 % der workdays lost durch Verletzungen reduziert werden.

• Produktivitätssteigerung: Im Gegensatz zu Menschen brauchen Roboter keine Pausen, freien Tage oder Erholung. Sie können rund um die Uhr arbeiten, was die Produktivität erheblich steigern kann.

• Kosteneffizienz: Während der Kauf und die Installation dieser Roboter anfangs teuer sein können, führen sie im Laufe der Zeit zu erheblichen Einsparungen. Sie senken die Arbeitskosten, reduzieren mögliche Fehler und senken verletzungsbedingte Kosten.

• Skalierbarkeit: Sobald Roboter eingerichtet sind, können Hersteller die Produktion leichter erhöhen, ohne zusätzliche Arbeiter einstellen oder größere Änderungen vornehmen zu müssen. Das bedeutet, dass Hersteller schnell auf wachsende Nachfrage reagieren und in einem sich verändernden Markt flexibel bleiben können.

Herausforderungen und Grenzen der Robotik in der Fertigung#

Während Industrieroboter viele Vorteile bieten, bringen sie auch einige Herausforderungen mit sich, insbesondere in Bezug auf Fachwissen und Wartung. Diese Roboter in Fabriken benötigen qualifizierte Fachkräfte, um sie zu programmieren, zu bedienen und zu warten.

Obwohl viele Roboter in heutigen industriellen Anwendungsfällen künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen nutzen, erfordern sie dennoch regelmäßige Wartung, um Ausfälle zu vermeiden. Wenn ein Herstellerteam nicht bereits über dieses Wissen verfügt, kann die Schulung des Personals teuer und zeitaufwendig sein.

Interessanterweise kommt die Lösung für diese Herausforderungen ebenfalls in Form von Vision-KI, genauer gesagt Computer Vision, einem Teilgebiet der KI, das sich auf das Verstehen visueller Daten konzentriert. Beispielsweise können Computer-Vision-Modelle wie Ultralytics YOLO11 trainiert werden, Industrieroboter zu erkennen und zu verfolgen. Erkenntnisse aus der Verfolgung dieser Roboter mithilfe von YOLO11 können genutzt werden, um Probleme frühzeitig zu erkennen (bekannt als vorausschauende Wartung bzw. Predictive Maintenance). Dies verringert den Bedarf an Expertenaufsicht und senkt unerwartete Ausfälle.

Darüber hinaus kann Computer Vision auch die Erstellung von Echtzeit-Digitalen Zwillingen 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 identifizieren, bevor sie Störungen verursachen, und Prozessverbesserungen zu testen, ohne die tatsächliche Produktion zu unterbrechen. Diese Technologie sorgt für eine konsistentere Leistung, verbessert die Entscheidungsfindung und reduziert kostspielige Ausfallzeiten.

Technologien der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens#

Bei der Erörterung der Herausforderungen beim Einsatz von Industrieroboter haben wir gesehen, dass viele mittlerweile durch KI und maschinelles Lernen angetrieben werden. Aber wie funktioniert das eigentlich und welche AI’s role in robotics gibt es?

Traditionelle Industrieroboter sind auf feste, repetitive Aufgaben beschränkt. Sie folgen vorprogrammierten Anweisungen und können sich nicht leicht an Änderungen an der Produktionslinie anpassen. Das macht sie weniger effizient in Umgebungen, in denen Flexibilität, Geschwindigkeit und Genauigkeit unerlässlich sind.

Ohne KI können Roboter Produktfehler nicht in Echtzeit erkennen oder sich an geringfügige Abweichungen bei Materialien oder Positionen anpassen, was oft zu langsameren Prozessen, mehr Fehlern und längeren Ausfallzeiten führt. AI in manufacturing ermöglicht es Robotern, über einfache, vorprogrammierte Aufgaben hinauszugehen.

Konkret können Roboter mit maschinellem Lernen in der Fertigung Daten aus ihrer Umgebung analysieren, Muster erkennen und ihre Leistung im Laufe der Zeit verbessern. Beispielsweise kann ein vision-enabled robot verschiedene Objekte an einer Montagelinie identifizieren, seine Bewegungen basierend auf dem Gesehenen anpassen und sogar Fehler oder Anomalien in Echtzeit erkennen. Hinter den Kulissen ist Computer Vision die treibende Kraft hinter dieser Innovation.

Typischerweise ist ein bildverarbeitungsfähiger Roboter mit der notwendigen Hardware-Infrastruktur ausgestattet, um Computer-Vision-Modelle wie Ultralytics YOLO11 auszuführen. Wenn er in Kameras und Computer Vision integriert wird, erhält ein Roboter die Fähigkeiten des zugrunde liegenden Modells. Im Falle von YOLO11 bedeutet dies, dass ein Roboter computer vision tasks wie Objekterkennung, Tracking und Segmentierung ausführen kann.

Die Auswirkungen des Internet der Dinge (IoT)#

Ein weiteres paar Konzepte im Zusammenhang mit Industrieroboter sind IoT in der Fertigung und edge computing. IoT bezieht sich auf ein Netzwerk aus verbundenen Geräten, die Daten sammeln und austauschen (hauptsächlich über das Internet). Andererseits verarbeitet Edge Computing die Daten direkt an der Quelle, wie etwa einem Roboter oder Sensor, ohne sie vorher komplett an einen zentralen Server senden zu müssen.

Wenn industrielle IoT (IIoT) Geräte große Mengen an Daten sammeln, kann das Senden dieser Daten an ein zentrales System in der Cloud zur Analyse Verzögerungen (bekannt als Latenz) verursachen und die Dinge verlangsamen. Aber durch den Einsatz von Edge Computing zusammen mit IoT können Hersteller die Daten sofort verarbeiten, was Echtzeitantworten ermöglicht und die Automatisierung stärkt.

Ein klares Beispiel für das Zusammenspiel von KI und IoT in der Fertigung ist die vorausschauende Wartung. In smart factories ist eines der Hauptziele von Industrie 4.0, Geräteausfälle vorherzusehen, bevor sie auftreten.

Um dies zu erreichen, müssen IIoT-Geräte voll funktionsfähig und zuverlässig bleiben. Durch die Kombination von Edge Computing, KI und Computer Vision können diese Geräte ihren eigenen Zustand kontinuierlich überwachen, erkennen, wann Wartung oder Aufladen erforderlich ist, und automatisch die notwendigen Maßnahmen auslösen. Dies hält Maschinen reibungslos am Laufen, reduziert ungeplante Ausfallzeiten und verbessert die Gesamteffizienz.

Wie Automatisierung und Robotik die Fertigungseffizienz verbessern#

Jetzt, da wir ein besseres Verständnis von Technologien wie KI, Computer Vision, IoT und Edge Computing haben, lassen uns erkunden, wie diese zusammenarbeiten können, um die Fertigungsautomatisierung effizienter zu machen.

Das Hauptziel der Automatisierung besteht darin, Prozesse zu optimieren und sie schneller, zuverlässiger und weniger anfällig für menschliche Fehler zu machen. Nehmen wir zum Beispiel eine Fabrik, die Unterhaltungselektronik wie Smartphones zusammenbaut. Vision-enabled robotic arms können die filigrane Aufgabe übernehmen, winzige Bauteile präzise auf Platinen zu platzieren.

Gleichzeitig können KI-gestützte Vision-Systeme jeden Schritt der Montage inspizieren und Defekte wie falsch ausgerichtete Teile oder fehlerhafte Lötstellen in Echtzeit identifizieren. In der Zwischenzeit können IoT-Sensoren Umweltfaktoren wie Temperatur, Staub und Vibration überwachen, die die Qualität empfindlicher Komponenten beeinträchtigen könnten.

Mit Edge Computing kann das System diese Daten sofort verarbeiten und Anpassungen direkt vor Ort vornehmen, wie das Anhalten der Linie oder das Kalibrieren eines Roboters, ohne auf Cloud-basierte Antworten zu warten. Zusammen kann automated manufacturing eine Produktion schaffen, die schneller, präziser und hochgradig anpassungsfähig ist, was zu einer höheren Produktqualität und geringeren Betriebskosten führt.

Wie verändert die Robotik die Zukunft der Fertigung?#

Die future of industrial robots entwickelt sich rasant weiter, wobei Technologien wie Vision-KI in der Fertigung und das IoT eine große Rolle spielen. Mit diesen Werkzeugen können Roboter sehen, woran sie arbeiten, Fehler erkennen, die Produktqualität prüfen und Probleme im Handumdrehen vorhersagen. Viele Hersteller nutzen diese Systeme bereits, um ihre Abläufe effizienter und konsistenter zu gestalten.

Der Markt für Industrierobotik ist stetig gewachsen, und dieses Wachstum kommt durch ständige Verbesserungen in der Robotik, leichteren Zugang zu qualifizierten Ingenieuren und den Einsatz von Simulation und virtuellen Tests. Diese Entwicklungen machen es schneller, Roboter für den realen Einsatz zu entwerfen und zu optimieren. Da immer mehr Fabriken digitale Werkzeuge und Automatisierung einführen, werden sie flexibler, zuverlässiger und bereit, zukünftige Herausforderungen zu meistern.

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