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Ratgeber
Roboter sind der Inbegriff hochkomplexer Technik. Sie erleichtern unseren Alltag und werden nicht nur in Industrie, Forschung und Bildungswesen, sondern auch in Unternehmen der unterschiedlichsten Branchen genutzt. In unserem Ratgeber erfahren Sie, welche Möglichkeiten Roboter bieten und wie sie im Unterricht und in der Produktion eingesetzt werden können.
Vor ein paar Jahrzehnten waren Roboter noch Gegenstand von Science-Fiction-Literatur, heute sind sie Wirklichkeit und aus vielen Bereichen unseres Lebens kaum wegzudenken. Sie übernehmen Tätigkeiten, die wir Menschen nicht annähernd so genau oder schnell ausführen können – angefangen bei chirurgischer Präzisionsarbeit bis hin zur Bombenentschärfung. Sie können laufen, schwimmen, in höchste Höhen fliegen und in tiefste Tiefen tauchen.
Sie entdecken für uns das Weltall, kämpfen im Krieg, helfen in Katastrophengebieten – und unterstützen uns beim Wohnungsputz.
Roboter werden in der Forschung, Wissenschaft, Industrie und in zahlreichen weiteren Bereichen genutzt und haben die Automation in vielen Branchen massgeblich vorangebracht. Sie nehmen uns aber nicht nur Arbeiten ab, sondern können auch dabei helfen, einen Einstieg in die Welt der Technologie zu finden, weshalb sie zunehmend in Schulen, Universitäten und anderen Bildungseinrichtungen zum Einsatz kommen.
Mithilfe von Robotern kann man Schülern und Studenten auf anschauliche Weise die Grundlagen der Robotik vermitteln. Roboter-Bausätze beispielsweise bieten Kindern und Heranwachsenden die Möglichkeit, sich einen eigenen Roboter zusammenzustellen und dabei nicht nur die einzelnen Komponenten mit ihren spezifischen Funktionen kennenzulernen, sondern auch ihr Zusammenspiel zu begreifen. Dadurch werden das Verständnis von Technik und Problemlösungsfähigkeiten gleichermassen gefördert. Folgende Sachthemen können mit Robotern im Unterricht behandelt werden:
In der Industrie werden Roboter schon seit den 1960er Jahren verwendet. Mit ihrer Hilfe können Prozesse automatisiert und optimiert werden, um Produktionsabläufe effizienter, sicherer und flexibler zu gestalten. Der erste kommerziell erhältliche Industrieroboter wurde von der US-Robotikfirma Unimation unter der Leitung von George Devol und Joseph F. Engelberger entwickelt. Der Autohersteller General Motors setzte Unimate, so der Name des Roboters, für Fliessbandarbeiten ein. Das Gerät war in der Lage, hoch erhitzte Spritzgussteile zu entnehmen, eine für den Menschen sehr gefährliche Tätigkeit.
Heute können Industrieroboter deutlich mehr. Die programmierbaren Maschinen werden vor allem zur Montage, Bearbeitung und Fertigung von Werkstücken verwendet. Üblicherweise bestehen Industrieroboter aus einem Roboterarm mit Greifer, Sensoren und einer Steuerungseinheit. Durch Hinzufügung verschiedener Werkzeuge können sie auf ihre jeweilige Aufgabe angepasst werden. Industrieroboter sind also nicht zu vergleichen mit Humanoiden oder Androiden, die dem Menschen äusserlich sehr ähnlich sehen.
Abhängig von der Kinematik, also den zugrundeliegenden Bewegungsabläufen, können unterschiedliche Arten von Industrierobotern unterschieden werden.
Delta-Roboter
Delta-Roboter gehören zu den Robotern mit paralleler Kinematik. Sie sind mit mindestens drei parallel angeordneten Armen ausgestattet, deren Form dem griechischen Buchstaben Delta ähnelt. Vorteilhaft an Delta-Robotern ist, dass sie sich durch ein geringes Eigengewicht auszeichnen und schnell arbeiten. Sie kommen vor allem zu Montage- und Verpackungszwecken oder auch für Pick-and-Place-Applikationen (Aufnehmen und Positionieren) zum Einsatz.
Knickarm- oder Gelenkarmroboter
Knickarm- oder Gelenkarmroboter zählen zu den Robotern mit serieller Kinematik. Sie verfügen oft über fünf, sechs oder sieben seriell angeordnete Achsen. Die Industrieroboter sind recht schwer, eignen sich aber gut für Anwendungen, die komplexe Bewegungsabläufe erfordern. Sie werden vorrangig im Maschinenbau und im Kfz-Bereich genutzt, etwa zum Fräsen, Entgraten, Schweissen, Lackieren oder Beschichten.
Kollaborative Roboter
Eine Sonderform von Industrierobotern stellen kollaborative Roboter (kurz: Cobots, aus collaborative robots) dar. Wie der Name schon andeutet, ermöglichen sie eine Mensch-Roboter-Kollaboration, das heisst, sie arbeiten mit dem Menschen gemeinsam. Zu diesem Zweck sind sie ohne trennende Schutzeinrichtung konzipiert.
Um sicherheitstechnische und arbeitsschutzrechtliche Anforderungen dennoch erfüllen zu können, sind sie mit berührungsempfindlichen Sensoren ausgestattet. Bei Kontakt mit einem Hindernis schalten sich die Industrieroboter eigenständig ab. Doch worin bestehen die Vorteile einer Mensch-Maschinen-Kollaboration? Durch die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine kann die Produktivität deutlich gesteigert werden. Kollaborierende Roboter ersetzen keine Arbeitsplätze, sondern ergänzen sie und sind eher als Unterstützung zu betrachten. Sie übernehmen gefährliche oder ermüdende Tätigkeiten, so dass sich das Personal anderen Aufgaben widmen kann.
Das Angebot an Robotern und Bausätzen für den Bildungsbereich hat sich in den letzten Jahren stetig erweitert. Manche Hersteller stellen nicht mehr nur das technische Equipment, sondern auch Kursmaterial zur Verfügung, um Lehrer und Lehrerinnen, die nicht versiert im Bereich der Robotik sind, bei der Wissensvermittlung zu unterstützen.
Fischertechnik bietet unterschiedliche Bausätze an, mit deren Hilfe spezifische Unterrichtsschwerpunkte und Anwendungsszenarien abgebildet werden können (z.B. Robotics in Industry zur Simulation der Robotik in der Industrie oder Robotics and Electropneumatics zum Bauen elektropneumatischer Maschinen und Roboter).
Grundsätzlich gilt es bei der Auswahl den Kenntnisstand und das Alter der Lernenden zu berücksichtigen. Kinder und Heranwachsende sollten keinesfalls überfordert werden. Eine intuitiv verständliche Programmierumgebung und einfache Steuerung sind für ein frustfreies Lernen wichtig.
Für Fortgeschrittene sind Kits mit höherem Schwierigkeitsgrad für die Bedienung mit dem Arduino oder Raspberry-Pi eine gute Option. Sie ermöglichen es, individuelle Projekte zu verwirklichen und seiner Kreativität beim Entwickeln freien Lauf zu lassen.
Spielzeug-Roboter sind von Robotern als Arbeits- und Lehrmittel zu unterscheiden. Sie dienen vor allem der Unterhaltung und bieten ansonsten relativ wenige Möglichkeiten, auf Funktionen Einfluss zu nehmen.
Es handelt sich meist um ,vorprogrammierte, mobile Roboter, die über diverse Sensoren verfügen, dank denen sie beispielsweise auf Berührung reagieren, sich vor- und zurückbewegen, drehen oder Geräusche erzeugen können. Spielzeug-Roboter sind vielgestaltig.
Neben humanoiden Robotern gibt es Roboter in Form von Autos, Flugzeugen und Drohnen, aber auch von Tieren wie Dinosauriern, Hunden und Katzen. Viele Modelle können mithilfe einer Fernbedienung oder übers Smartphone gesteuert werden und vermitteln eine erste Vorstellung davon, wozu Roboter überhaupt in der Lage sind.
Roboter-Bausätze oder Fertigkonstruktionen, die erweiterbar sind, erweisen sich gerade im schulischen Kontext als praktisch. Ist ein bestimmter Kenntnisstand erreicht, kann ein neues Modul hinzugenommen werden, um ein weiteres Konzept zu veranschaulichen. Auf diese Weise wächst das Unterrichtsmaterial quasi mit und kann im Hinblick auf das Schwierigkeitslevel jederzeit angepasst werden.
Was versteht man unter dem Begriff Industrie 4.0?
Als Industrie 4.0 bezeichnet man die vierte industrielle Revolution. Sie ist Vision und Vorhaben zugleich und hat teilweise schon begonnen. Im Mittelpunkt stehen die vollständige Digitalisierung und Vernetzung von Maschinen und Abläufen. Für Unternehmen können sich daraus viele Vorteile ergeben. So ist es beispielsweise möglich, dass Konsument und Produzent enger und direkter miteinander kommunizieren, was dabei hilft, Produkte zu individualisieren und Services zu optimieren. Unternehmen können ihre Produktivität und Wirtschaftlichkeit verbessern, indem sie Arbeitsschritte durch digitale Vernetzung gezielter abstimmen und Maschinenauslastungen planen. Darüber hinaus können Unternehmen Logistik und Warenfluss besser im Auge behalten.
Was kostet ein Industrie-Roboter?
Das lässt sich nicht pauschal beantworten. Der Preis wird massgeblich durch die Komplexität des Systems beeinflusst. Ein mehrachsiger Industrie-Roboter mit umfangreicher Peripherie ist freilich teurer als ein einachsiges Modell ohne weitere Kostentreiber. Einen einfachen Industrieroboter erhält man ab 20.000 Euro, komplexere Ausführungen können durchaus mit 200.000 Euro oder mehr zu Buche schlagen.
Roboter erobern seit dem ersten Einsatz in der Autoindustrie in den 1960er Jahren immer mehr Bereiche unseres Lebens. Die Technik mit künstlicher Intelligenz, Sensorik und Präzision entwickelt sich extrem schnell weiter, Anwendungen nehmen mehr und mehr Raum in unserem Alltag ein. Sie halten Einzug in die privaten Haushalte und Bildungseinrichtungen. Mit den humanoiden Bauformen der Roboter können Schülern und Studenten Sachthemen wie Programmierung, Roboter-Technik, Steuer- und Regeltechnik sowie kreatives Arbeiten spielerisch vermittelt werden. Besondere Problemlösungsfähigkeiten können gelernt und weiter entwickelt werden.