Faszination Roboter:

Sie erkunden für uns fremde geheimnisvolle Welten, verrichten Arbeiten in Gefahrenbereichen, unterstützen kraftaufwändige Produktionsprozesse oder erinnern uns tägliche an Termine und Verabredungen. Scheibar grenzenlos sind die Einsatzmöglichkeiten. Dabei arbeiten sie mit hoher Präzision, teilweise Tag und Nacht. Immer mit dem Ziel, Arbeitsabläufe und Prozesse schneller, besser, sicherer und kostengünstiger auszuführen. Roboter - oder besser gesagt Robotersysteme - haben seit mehreren Jahrzehnten nahezu alle Bereiche des technischen Lebens erobert. Insbesondere in der industriellen Produktion sind Robotersysteme mittlerweile unverzichtbar. Derzeit weiten sich die Einsatzbereiche aber mit enormem Tempo aus. Pflegeroboter sollen in Zukunft die Arbeit in Krankenhäusern und Pflegeheimen unterstützen. Als Serviceroboter assistieren sie bereits heute in Operationssäalen. Logistikroboter organisieren bald die Lagerhaltung, planen die Warenwege und garantieren die pünktliche Verteilung der Güter. In der Landwirtschaft übernehmen sie künftig das Melken der Kühe und steuern die Traktoren über die Felder. Zahlreiche Sensoren vermessen dabei die Bodengüte und die Wetterbedingungen mit dem Ziel, Saatgut, Düngemittel und Pestiziden zielgerichteter auszubringen. Ausgestattet mit modernsten Technologien erforschen Roboter als Sonden das Sonnensystem und eröffnen so neue faszinierende Welten. Im Katastrophenfall können Roboter die gefahrvollen Arbeiten in lebensfeindlichen Umgebungen ausführen und so die Gesundheit der Katastrophenhelfer schützen. Ebenso erproben Rüstungsfirmen den Einsatz von Kampfrobotern in Konflikt- und Krisengebieten.

Kurz: Nach der Mechanisierung (Industrie 1.0), der Massenproduktion (Industrie 2.0) und der Automatisierung (Industrie 3.0) entwickelt man heute an der Vernetzung der Dinge und Dienste (Industrie 4.0). Und genau in diesem Bereich spielen Robotersysteme mit Sensoren, Prozessoren und Aktoren eine entscheidende Rolle.

Die Bezeichnung "Roboter":

Das Wort „Roboter“ leitet sich von dem tschechischen Wort „robota“ ab, das sowohl mit „arbeiten“ als auch mit „Zwangsarbeit“ oder „Frondienst“ übersetzt werden kann. In der heutigen Bedeutung wird der Begriff zum ersten Mal in einem Theaterstück verwendet: In dem 1921 in Prag uraufgeführten Stück „Rossum´s Universal Robots“ ersetzen menschenähnliche künstliche Maschinen die Arbeit in den Fabriken. Diese neuen „Roboter“ unterscheiden sich prizipiell von den zuvor bekannten Maschinen, die aus heutiger Sicht als „Automaten“ zu bezeichnen sind. Das Wort leitet sich vom griechischen Begriff „automatos“ für „sich selbst bewegen“ ab. Konstruktionsbedingt können solche Automaten nur eine einzige voreingestellte Aufgabe verrichten. Im Gegensatz dazu verfügen Roboter über eine ausgefeilte Sensorik und einen schnellen Prozessor, der ihnen ein Reagieren auf unterschiedliche Umweltbedingungen und ein Ausführen unterschiedlichster Aufgaben zur gleichen Zeit ermöglicht. Der vollständige Bewegungsablauf muss bei Robotern also nicht mehr bei der Konstruktion festgelegt werden. Genau dieses Reagieren auf unterschiedliche Situationen weckt das Interesse der Ingenieure und führt zu zahlreichen, breiten Einsatzmöglichkeiten von Robotersystemen.

Prinzipieller Aufbau eines Robotersystems:

In einer Tabelle lässt sich prinzipiell der Aufbau eines Roboters oder eines roboterähnlichen Systems darstellen. Bemerkenswert sind dabei die Ähnlichkeiten zum Menschen.

Aufgabe	Wahrnehmen Erfassen der Umwelt	Steuern Treffen von Entscheidungen Senden von Befehlen	Handeln Verrichten einer Aufgabe
Bauteil	Sensoren Lichtsensor Ultraschallsensor Tastsensor Temperatursensor ...	Prozessoren CPU (Central Processing Unit) Mikrocontroller ...	Aktoren Pneumatische Systeme Hydraulische Systeme Anzeigefelder Lautsprecher ...
Mensch	Sinnesorgane Augen Nase Ohren ...	Gehirn Synapsen ...	Muskel Arme Beine Stimmbänder ...

Geschichte der Robotik:

Die Vorläufer unserer heutigen Robotersysteme reichen weit zurück. Ihre Entwicklungsgeschichte ist eng mit den Fortschritten in der Feinmechanik und der Elektronik verbunden. Seit der Entwicklung mechanischer Uhren ab dem 14. Jahrhundert konnten erste Maschinen gebaut werden, die ohne externe Eingriffe zeitgesteuert Prozesse nacheinander ablaufen lassen konnten. Der Bau elektronischer Bauteile ab dem 20. Jahrhundert ermöglichte die Entwicklung einfacher Sensoren. Dadurch war es nicht mehr erforderlich, den vollständigen Bewegungsablauf schon bei der Konstruktion festzulegen. 1948 überraschte ein dreirädriges Fahrzeug, das bereits mögliche Kollisionen mit der Umgebung erkennen konnte und mit Hilfe eines Lichtsensors auf eine Lichtquelle zusteuern konnte. Nur acht Jahre später – im Jahre 1956 - konnte ein erster Entwurf eines Industrieroboters vorgestellt werden. Gezielt konnte dieser patentierte Prototyp die Übergabe von Bauteilen im Montageprozess steuern und unterstützen.

Neben den Fortschritten in der Mechanik und der Sensorik spielt jedoch auch die Entwicklung der Rechenmaschinen eine wichtige Rolle.

Der Abakus um etwa 300 v. Chr., eine Holz- oder Steintafel mit aufgezeichneten Linien gilt als Vorläufer der digitalen Rechenmaschinen. Durch gezieltes Verschieben von Steinen auf diesem Linienfeld konnten Zahlen dargestellt und verrechnet werden. Daraus entwickelte sich der bis heute bekannte Rechenrahmen mit verschiebbaren Kugeln. Mit Hilfe von Logarithmentafeln konnte um das Jahr 1614 das schriftliche Rechnen vereinfacht werden. Durch diese Tabellen von Zahlenwerte konnte die Multiplikation auf eine Addition und die Division auf eine Subtraktion zurückgeführt werden. Diese Tafeln wurden weiterentwickelt und führten 1622 zum sogenannten Rechenstab, einem System aus verschiebbaren Linealen und Zungen mit nicht linearen Skaleneinteilungen, das insbesondere Multiplikationsaufgaben stark vereinfachte. Auf Grundlage dieser verschiebbaren Rechenstäbe konnte im Jahre 1623 ein mechanisches Gerät entwickelt werden, das die vier Grundrechenarten ausführen konnte. In den Folgejahren wurden weitere Rechnenmaschinen mit Zahnrädern und Walzen patentiert, die bereits das Rechnen mit allen vier Grundrechenarten unterstützten.

Im Jahre 1832 sorgte ein Entwurf eines Rechenautomaten für Aufsehen. Dieser wurde zwar nie gebaut, der Aufbau hingegen entspricht schon sehr dem der heutigen modern Computern: Er beherrschte die Grundrechenarten, Dezimalzahlen konnten dargestellt werden, Werte konnten gespeichert werden und die Ergebnisse ausgedruckt werden. Erst 1941 gelang der Bau einer funktionstüchtigen Rechenmaschine. Konrad Zuse entwarf eine Rechenmaschine auf Grundlage des Dualsystems. Lochbänder und elektromagnetische Relais führten die Rechnungen durch. In der Folgezeit wurde diese Rechenmaschinen durch Elektronenröhren, Transistoren und Dioden verfeinert. Außerdem wurden die Lochstreifen, auf denen die Algorithmen gespeichert waren, durch interne Programme auf dem Rechner selbst ersetzt. Einsatzgebiete waren jedoch ausschließlich wissenschaftlich-technische Institute und Labore. Dennoch arbeiten bis heute alle Computer auf diesen Konzepten.

Die Geburtsstunde des ersten einsatzfähigen Industrieroboters war dann das Jahr 1961. Seine Erfinder George Devol und Joseph Engelberger nannten diesen ersten steuerbaren mechanischen Greifarm schlicht „Unimate“. Nach etwa vier Jahren Entwicklungszeite war der „Unimate“ bei der Firma Ford in der Lage, Gussteile zu manipulieren und zu schweißen. Aufgrund eines Mangels an Fachkräften eroberten diese Schweißroboter in den Folgejahren vor allem die Produktionsstätten in Japan. Doch immer häufiger wurden flexiblere Roboter, insbesondere von der Automobilindustrie gefordert. Aus diesem Grund entwickelte und baute die Augsburger Firma KUKA 1973 den ersten Industrieroboter mit sechs elektrisch angetriebenen Achsen namens Famulus.

Fortschritte in der Mikroelektronik führten zu einer Verkleinerung der Schaltelemente, der Mikrochip war geboren und mit ihm der Personalcomputer. Ab den 80er-Jahren wurden nun massenhaft Computer produziert. Der Siegeszug wurde noch von einer weiteren Entwicklung vorangetrieben: Ebenso 1980 kam das erste Betriebssystem, MS-DOS von Microsoft auf Diskette auf den Markt. Jetzt war es möglich, das Betriebssystem durch Neuinstallationen zu erneuern ohne die Hardware auszutauschen. Auch dieses Konzept ist bis heute bei allen Computern Standard.

Die Entwicklung des Personalcomputers hatte auch direkt einen Einfluss auf die Entwicklung der Roboter. Kostengünstige PCs führten nun schnell Berechnungen durch und steuerten so die Bewegungsabläufe von Roboterarmen. Parallel dazu wurden die Palette der Sensoren verfeinert und erweitert. Industrieroboter übernahmen zunehmend Produktionsprozesse in der Massenfertigung.

Heutige Schwerpunkte in der Entwicklung der Robotik sind die Verbesserung der Sensoren und die Interaktion zwischen Mensch und Maschine. Erste Versuche zur Steuerung über Gesten sind beispielsweise bereits umgesetzt. Außerdem entwickelt man zunehmend Algorithmen, mit deren Hilfe Roboter ihre Handlungen selbstständig erlernen, also über künstliche Intelligenz verfügen. Durch Beobachtung und durch Ausprobieren können Schachcomputer bereits heute das Schachspielen erlernen und durch zahllosen Blitzpartien gegen sich selbst ein solches Niveau erreichen, dass menschliche Spieler nicht mehr mithalten können. Doch bleiben diese lernfähigen Programme auf Aufgaben mit extrem verknapptem Zuschnitt beschränkt. Dennoch, die ersten Versuche sind gemacht! Nicht nur von Universitäten und Forschungsinstituten. Zahlreiche Unternehmen investieren zunehmend immense Summen in lernende Maschinen!

Roboter in der Wirtschaft:

„Der Einsatz von Robotern und die weltweite Vernetzung werden die Wirtschaft und die Arbeitswelt nachhaltig verändern.“ So lauten derzeit die Prognosen, wenn es um das Thema „Roboter in der Wirtschaft“ geht. Unter den Schlagworten „Industrie 4.0“ und „Internet der Dinge“ ist eine industrielle Revolution im Gange, die bereits heute angelaufen ist. Schätzungen der „International Federation of Robotics“ gehen davon aus, dass 2020 allein im produzierenden Gewerbe rund 3 Millionen Roboter im Einsatz sein werden. Dies entspricht einem durchschnittlichen Wachstum von etwa 14 % in den vergangenen Jahren. Vorreiter ist hierbei die Automobilbranche: Bereits heute ist etwa jeder zehnte „Mitarbeiter“ ein Roboter.

Die großen Wachstumsmärkte für Roboter sind jedoch weniger die Produktionsstätten. Schon heute ist der Automatisierungsgrad in den westlichen Industrien sehr hoch. Man geht davon aus, das in Zukunft die Büro- und Verwaltungsbereiche, sowie die Gesundheits- und Pflegebereiche von Robotern erobert werden. Besonders in Asien, wo Berührungsängste mit Robotertechnologie deutlich weniger bestimmend sind, sind Serviceroboter schon heute weit verbreitet. Auch in den privaten Haushalten wird die Zahl der Roboter stetig wachsen. 2020 sollen über 40 Millionen Roboter im privaten Bereich als Reinigungsroboter, Überwachungsroboter oder Spielzeugroboter zum Einsatz kommen.

Welche Auswirkungen dieses Veränderungsprozesse auf die Zahl der Arbeitsplätze haben wird, ist letzten Endes schwer abzuschätzen. Man erwartet, dass insbesondere Deutschland von diesem Wandel betroffen seien wird, mehr als andere Länder in Europa. Durch die unterschiedliche berufliche Ausbildung der Geschlechte gehen Forscher davon aus, dass gerade die Frauen stärker von einem Verlust des Arbeitsplatzes betroffen seien werden. Dem gegenüber stehen stehen natürlich zahlreiche neue Berufe, die sich durch den Wandel aufgrund der Digitalisierung neu ergeben. Für flexible, anspruchsvolle und sensible Arbeiten dürfte es auch noch in einigen Jahren nach wie vor die menschliche Arbeitskraft brauchen, Routinearbeiten werden sicherlich aber weit mehr von Robotersystemen erledigt werden. Wenig betroffen von diesen Umwälzungen sind natürlich naturwissenschaftliche und IT-Berufe. Und Investitionen in die schulische und berufliche Ausbildung lassen sich nicht vermeiden.

Aufgaben:

Aufgaben zur Robotik allgemein:

Aufgabe 1: Roboter versus Automaten
Aufgabe 2: Abakus
Aufgabe 3: Zeitstrahl
Aufgabe 4: Informationssysteme

Aufgaben zu Robotern in der Wirtschaft:

Aufgabe 5: Industrieroboter
Aufgabe 6: Kostenvergleich