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Definition von Robotik und verwandten Begriffen

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Wussten Sie, dass im Jahr 2022 weltweit rund 3,9 Millionen Industrieroboter im Einsatz waren? In Deutschland allein betrug die Roboterdichte beachtliche 415 Roboter pro 10.000 Arbeiter. Solche Statistiken belegen den rasant wachsenden Einfluss der Robotik in unterschiedlichen Bereichen unserer Gesellschaft. Aber was genau ist Robotik und welche Begriffe sind damit eng verbunden? Tauchen wir tiefer ein und beleuchten wir die Definition von Robotik sowie verwandte Begriffe, die für dieses faszinierende Feld von Bedeutung sind.

Wesentliche Erkenntnisse

  • Die Robotik als Wissenschaft und Technik beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung von Robotersystemen.
  • Der Ursprung des Begriffs „Roboter“ liegt im tschechischen Wort „robota“, das „Zwangsarbeit“ bedeutet.
  • Industrieroboter finden in Fabriken breite Anwendung, beispielsweise beim Schweißen oder Montieren.
  • Serviceroboter sind im Gastgewerbe und weiteren Dienstleistungen weit verbreitet.
  • Moderne Robotersysteme integrieren Mechanik, Elektronik und Informatik, bekannt als Mechatronik.

Was ist Robotik?

Robotik bezeichnet das wissenschaftliche Feld, das sich mit der Konstruktion, Steuerung, der operationalen Logik und dem Einsatz von Robotern auseinandersetzt. Im Wesentlichen verbindet sie Mechanik, Elektronik, Informatik und andere Disziplinen, um Technologien zu entwickeln, die Prozesse automatisieren und die Mensch-Maschine-Interaktion verändern.

Was ist Robotik

Geschichte der Robotik

Die Geschichte der Robotik ist reich an Innovationen und Meilensteinen:

  • 1942 prägte Isaac Asimov den Begriff „Robotik“ in seiner Kurzgeschichte „Runaround“.
  • 1973 begann die Entwicklung des humanoiden Roboters Wabot-1 an der Waseda-Universität in Tokio.
  • 1974 stellte ASEA den weltweit ersten vollständig elektrisch angetriebenen Industrieroboter IRb6 vor.
  • 1986 startete Honda das Humanoid Robot Research and Development Program mit den Versionen P1 bis P3.
  • 1997 landete der erste mobile Roboter Sojourner auf dem Mars.

Begriffserklärung und Ursprung

Das Wort „Roboter“ hat seinen Ursprung im tschechischen Wort „robota“, was so viel wie „Arbeit“ oder „Frondienst“ bedeutet. Es wurde 1920 vom Schriftsteller Karel Čapek in seinem Theaterstück „R.U.R.“ (Rossum’s Universal Robots) geprägt. Seitdem hat sich der Begriff zu einem breiten Fachbegriff für mechanisierte Automaten entwickelt, die darauf abzielen, menschliche Arbeit zu unterstützen oder zu ersetzen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Geschichte der Robotik und der Ursprung des Wortes Roboter die Evolution dieser faszinierenden Technologie tiefgreifend beeinflusst haben.

Definition Robotik

Robotik ist das Studium und die Anwendung von Robotern, wobei ein Roboter als programmierbares, multifunktionales Handhabungsgerät definiert wird. Durch die Kombination verschiedener technologische Grundlagen können Roboter Aufgaben übernehmen, die für den Menschen entweder gefährlich, monoton oder physisch unmöglich wären.

technologische Grundlagen

Technologische Grundlagen

Die Robotik basiert auf einer Vielzahl von technologischen Grundlagen wie Mechanik, Elektronik und Informatik. Diese Disziplinen ermöglichen die Entwicklung fortschrittlicher Roboter, die in verschiedenen Bereichen wie Industrie, Medizin und Haushalt eingesetzt werden. Ein Schlüsselbereich ist die Künstliche Intelligenz (KI), die Robotern ermöglicht, Entscheidungen zu treffen und sich an verschiedene Umgebungen anzupassen.

Wichtige Meilensteine

Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche Meilensteine der Robotik erreicht, die das Feld revolutioniert haben. Zu den bedeutendsten zählen die Erfindung des ersten digitalen und programmierbaren Roboters „Unimate“ in den 1950er Jahren sowie die Integration von Industrierobotern in Produktionslinien. Diese Meilensteine der Robotik haben maßgeblich zur Automatisierung von Fertigungsprozessen beigetragen und den Weg für moderne Roboteranwendungen geebnet. Besonders erwähnenswert sind die Entwicklungen der letzten Jahre, wie die erste Robotersimulation in der Cloud und die kontinuierlichen Investitionen in Forschung und Entwicklung.

Bezeichnung und Ursprung des Wortes Roboter

Der Ursprung des Wortes Roboter lässt sich auf das tschechische Wort „robota“ zurückführen, welches „Zwangsarbeit“ bedeutet. Diese Bezeichnung Roboter wurde erstmals von Karel Čapek in seinem Theaterstück „R.U.R.“ (Rossum’s Universal Robots) verwendet, um künstlich geschaffene Arbeitskräfte zu beschreiben.

Seit der Erstverwendung in den 1920er Jahren hat sich die Bezeichnung Roboter weltweit etabliert und wird heute in vielen Sprachen verwendet, um autonome Maschinen zu beschreiben. 

Interessanterweise war es nicht Karel Čapek selbst, der das Wort erfand, sondern sein Bruder Josef Čapek, ein bekannter Künstler und Schriftsteller jener Zeit.

In der modernen Diskussion wird die Bezeichnung Roboter oft auf fortschrittliche Maschinen und Systeme angewendet, die programmiert sind, um bestimmte Aufgaben autonom zu erfüllen. Dies umfasst industrielle Roboter, Serviceroboter und sogar mobile Roboter, die in verschiedenen Branchen und Haushalten eingesetzt werden.

Ursprung des Wortes Roboter

Robotik und Automation

Die deutsche Robotik-Forschung ist international führend in Europa und im Vergleich zu den USA und weltweit wettbewerbsfähig. Das Gebiet der Robotik und Automation erweist sich als Schlüssel für die zukünftige Entwicklung in vielen Industriezweigen und funktioniert in zwei wesentlichen Bereichen: die Optimierung von Prozessen und die autonome Durchführung komplexer Aufgaben.

Robotik und Automation

Verknüpfungen und Unterschiede

Obwohl die Begriffe Robotik und Automation oft synonym verwendet werden, gibt es wesentliche Unterschiede. Während Robotik die Entwicklung und Nutzung autonomer Maschinen beschreibt, die sowohl in der industriellen Fertigung als auch in der Forschung verwendet werden, fokussiert sich Automation auf die Kontrolle und Automatisierung von Systemen zur Steigerung der Effizienz. Die Unterschiede Robotik Automation zeigen sich vor allem in ihren Anwendungsbereichen und den integrierten Technologien.

Anwendungsbeispiele

Verschiedene Anwendungsbeispiele für Robotik verdeutlichen die Integration dieser Technologien in unser tägliches Leben und in die Industrie. Industrieroboter sind entscheidend in der Fertigung, wo sie Präzision und Geschwindigkeit gewährleisten. Autonome Fahrzeuge revolutionieren den Transportsektor durch ihre Fähigkeit, komplexe Fahrmanöver selbstständig durchzuführen. Zudem wird erwartet, dass Serviceroboter einen großen Anteil der Automatisierungslösungen bis 2024 ausmachen werden, was deren Bedeutung für verschiedene Dienstleistungssektoren unterstreicht. Die Entwicklung innerhalb dieser Bereiche zeigt eine zunehmende Automatisierung in zahlreichen Sektoren wie Raumfahrt, Bauwesen, Elektronik, Automobilindustrie und Pharmaindustrie.

Unterschiede zwischen Industrie- und Servicerobotern

Die Welt der Robotik bietet eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten, wobei Industrieroboter und Serviceroboter besonders hervorstechen. Während beide Roboterarten spezialisierte Aufgaben übernehmen, unterscheiden sie sich erheblich in ihren Funktionen und Anwendungen.

Industrieroboter

Industrieroboter sind für spezifische Aufgaben wie Schweißen und Montage konzipiert. Sie werden hauptsächlich in der Produktion eingesetzt, um die Automatisierung zu verbessern, Flexibilität zu ermöglichen und die Effizienz zu steigern. Ihre Hauptanwendungsgebiete umfassen große Produktionsstrecken mit höheren Durchsätzen, wobei Kollaborative Roboter (Cobots) die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine an kleineren und komplexeren Stationen ermöglichen.

Serviceroboter

Serviceroboter sind so konzipiert, dass sie alltägliche Aufgaben wie Reinigung, Paketzustellung oder Assistenz in der Pflege übernehmen. Diese Roboter sind oft autonom und in der Lage, mit Menschen zu interagieren. Beispiele für Serviceroboter sind Reinigungsroboter und Paketzustellungsroboter, die autonome Aufgaben ausführen und Routen optimieren können.

Einsatzgebiete Robotik

Vergleich und Einsatzgebiete

Die Unterschiede zwischen Industrierobotern und Servicerobotern liegen vor allem in den Anwendungen und der Interaktion mit Menschen. Während Industrieroboter in Fertigungsprozessen zu höherer Produktivität beitragen und dabei helfen, Ausschuss zu reduzieren und Qualitätsstandards einzuhalten, arbeiten Serviceroboter eng mit Menschen zusammen und verbessern die Mensch-Maschine-Interaktion.

Industrieroboter sind hauptsächlich in der Herstellung und Produktion zu finden, mit einem Marktanteil von rund 60% in der Robotikindustrie. Im Vergleich dazu werden etwa 70% der Serviceroboter für Haushaltstätigkeiten wie Reinigung oder Gartenarbeit entwickelt. Eine weiter verbesserte Mensch-Maschine-Interaktion bei Servicerobotern zielt darauf ab, eine angenehmere Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine zu ermöglichen.

Technische Grundlagen der Robotik

Die Konstruktion von Robotern erfolgt durch die Integration von Mechanik, Elektronik und softwaregesteuerter Intelligenz. Zu den Technischen Grundlagen der Robotik gehören verschiedene Disziplinen, die zusammenarbeiten, um die Effizienz und Funktionalität moderner Robotersysteme zu gewährleisten.

Mechanik und Elektronik

Mechanische Strukturen von Robotern wie etwa Hexapods mit sechs Beinen ermöglichen eine effektivere Navigation in unebenem Gelände im Vergleich zu Rädern. Roboter verfügen über verschiedene Arten von Gelenken, die ihre Kinematik und Bewegungsmöglichkeiten beeinflussen, darunter revolverförmig, prismatisch und sphärisch. Die Wahl der Aktuatoren in Robotern beeinflusst Geschwindigkeit, Präzision und Energieeffizienz. Sensorik in der Robotik umfasst verschiedene Arten von Sensoren wie Kameras, Lidars, Ultraschallsensoren und Infrarotdetektoren, die den Robotern helfen, ihre Umgebung zu erfassen und darauf zu reagieren.

Technische Grundlagen Robotik

Software und Programmierung

In der *Robotik Software* spielen Programmiersprachen wie Python, MATLAB und Lua sowie Frameworks wie das Robot Operating System (ROS) eine wesentliche Rolle. Diese Werkzeuge werden verwendet, um komplexe Bewegungen und Aufgaben zu programmieren. Beispiel: Malroboter nutzt inverse Kinematik, um Gelenkwinkel für den Malpfad auf einer Oberfläche zu berechnen. Numerische, algebraische und geometrische Methoden werden in der Roboterkinematik verwendet, wobei Jacobische Matrizen entscheidend für die Beziehung zwischen Gelenk- und Endeffektor-Geschwindigkeit sind.

Künstliche Intelligenz

Künstliche Intelligenz in Robotik ermöglicht es Robotersystemen, aus Erfahrungen zu lernen und ihre Aufgaben effizienter zu erfüllen. Maschinelles Lernen spielt eine entscheidende Rolle, indem es Robotern ermöglicht, kontinuierlich zu lernen und sich an neue Situationen anzupassen. Kognitive Robotik, eine Kombination aus *Künstlicher Intelligenz* und Robotik, ermöglicht es Robotern, komplexe Aufgaben in Bereichen wie Gesundheitsversorgung, Fertigung und Haushalt zu meistern. Diese Systeme basieren auf Grundprinzipien wie Wahrnehmung, Datenverarbeitung, Entscheidungsfindung, Handlung und Lernen.

Robotersysteme

Robotersysteme sind komplexe Konstrukte, die aus mehreren Komponenten wie Sensoren, Aktuatoren und Steuerungseinheiten bestehen. Der Aufbau von Robotern ist so gestaltet, dass sie spezifische, wiederholbare Aufgaben autonom ausführen können. Diese Systeme sind in der Lage, effiziente und präzise Arbeitsabläufe zu gewährleisten, indem sie modernste Technologien integrieren.

Ein bemerkenswertes Beispiel für den Einsatz von Robotersystemen ist der Industrieroboter von FANUC, dem weltweit größten Hersteller von Industrierobotern, der bereits 1974 den ersten Industrieroboter in Japan einführte. Ebenso ist MITSUBISHI ELECTRIC ein wichtiger Akteur im Bereich Robotersysteme, der 2022 einen Umsatz von über 10,8 Milliarden Euro erzielte. In Europa beansprucht KUKA die Marktführerschaft für Industrieroboter.

Die durchschnittliche Roboterdichte lag 2017 weltweit bei 85 Einheiten pro 10.000 Mitarbeitern, was die wachsende Bedeutung der Robotik in verschiedenen Sektoren unterstreicht. Unternehmen wie OMRON Corporation aus Kyoto, Japan, die sich auf Automationslösungen spezialisiert haben, tragen maßgeblich zur Entwicklung moderner Robotersysteme bei. Auch Universal Robots aus Dänemark, bekannt für ihre kollaborativen Roboter, spielt eine entscheidende Rolle im Aufbau von Robotern, die Hand in Hand mit Menschen arbeiten.

Zusätzlich zu den genannten Unternehmen gehören weitere Hersteller von Knickarmrobotern wie YASKAWA, ABB, NACHI und KAWASAKI zu den größten Herstellern weltweit. Hersteller wie MOTOMAN, die seit 1977 Industrieroboter für Montage-, Handhabungs- und Schweißarbeiten produzieren, tragen ebenfalls zur fortschrittlichen Entwicklung von Robotersystemen bei.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Aufbau von Robotern und die Integration von Sensoren, Aktuatoren und Steuerungseinheiten in modernen Robotersystemen nicht nur die Produktivität steigern, sondern auch langfristig die industrielle Effizienz optimieren. Der Einsatz von Robotersystemen findet in verschiedensten Branchen Anwendung und spielt eine zentrale Rolle in der Automatisierung und Innovation von Produktionsprozessen.

Roboterarten

Die Arten von Robotern variieren erheblich je nach ihrem Funktionsspektrum und Anwendungsbereich. Ihr vielfältiges Einsatzfeld reicht von humanoiden Maschinen bis hin zu autonomen mobilen Systemen, die in der Lage sind, selbstständig zu navigieren.

Humanoide Roboter

Einer der beeindruckendsten humanoiden Roboter ist AMECA, der seit Juli 2024 die Besucherinnen und Besucher des Deutschen Museums Nürnberg begeistert. AMECA verfügt über 27 fein abgestimmte Motoren, die für eine Vielzahl von Gesichtsausdrücken sorgen, und ihre Sprach-KI basiert auf GPT-Technologie, die Echtzeit-Verarbeitung ermöglicht. Die Möglichkeit, direkt mit AMECA zu interagieren und individualisierte Antworten zu erhalten, schafft eine neue Dimension der Mensch-Maschine-Interaktion.

Mobile Roboter

Autonome mobile Roboter (AMRs) sind eine weitere wichtige Roboterart, die hauptsächlich in der Fertigung eingesetzt wird. Diese Roboter navigieren selbstständig durch Produktionsstätten und unterstützen im Materialtransport. Sie sind flexibler als fahrerlose Transportsysteme (FTS) und tragen erheblich zur Effizienzsteigerung bei.

Kooperative Roboter (Cobots)

Eine der spannendsten Entwicklungen in der Robotik sind Cobots, die in enger Zusammenarbeit mit Menschen arbeiten. Diese Roboter sind darauf ausgelegt, sicher in der Nähe von Menschen zu operieren, ohne Schutzbarrieren oder komplexe Sicherheitsvorkehrungen. Sie sind besonders flexibel und können für kleinere Produktionsläufe eingesetzt werden, was sie ideal für Unternehmen jeder Größe macht. Cobots steigern nicht nur die Produktivität, sondern verbessern auch die Sicherheit und Arbeitsbedingungen für ihre menschlichen Kollegen.

Kinematik und Bewegungssteuerung

Die Kinematik von Robotern beschäftigt sich vor allem mit der Anordnung und Bewegung ihrer Achsen. Ein Ansatz, der dabei eine zentrale Rolle spielt, ist die Inverse Kinematik. In den Ingenieurwissenschaften, insbesondere in den Bereichen Robotik und Animation, ist sie ein bedeutender Begriff. In der Fertigungstechnik ermöglicht die Inverse Kinematik die präzise Steuerung von Robotern und die Automatisierung von Fertigungsprozessen.

Bewegungsform der Achsen

Die Bewegungssteuerung in der Robotik hängt stark von den Achsen der Roboter ab. Algorithmen für die Inverse Kinematik sind entscheidend, um Roboter präzise zu dirigieren und ihre Bewegungsabläufe exakt zu programmieren. Roboterkinematik umfasst die Analyse von Bewegungsmustern, die für den gezielten Einsatz, beispielsweise beim Schweißen oder Verpacken, notwendig sind. Die Anzahl der Freiheitsgrade eines robotischen Arms bestimmt die Komplexität der Anwendung der Inversen Kinematik, was wiederum maßgeblich die Einsatzmöglichkeiten beeinflusst.

Beschreibung der Arbeitsräume

Die Arbeitsräume von Robotern spielen eine wesentliche Rolle in der effizienten Bewegungssteuerung. Die gezielte Steuerung von Roboterarmen und -händen wird durch komplexe mathematische Modelle und Algorithmen, wie den Jacobian-Transponierten-Algorithmus, ermöglicht. Diese Modelle sind unerlässlich, um die Berechnungen der Inversen Kinematik zu realisieren und somit die Bewegungen von Robotern präzise zu simulieren und zu steuern. In Fabrikproduktionen findet die Inverse Kinematik in zahlreichen Anwendungen ihren Einsatz, beispielsweise beim Schweißen oder Verpacken von Produkten, was die Effizienz und Präzision der Roboterkinematik verdeutlicht.