Serviceroboter

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Medizinischer Versorgungsroboter

Serviceroboter übernehmen für den Menschen Aufgaben, die monoton, unzumutbar oder unnötig zeitaufwendig sind. Dabei decken die Einsatzbereiche ein weites Spektrum ab und reichen vom Rasenmähen, Reinigen und der Informationsvermittlung im vorwiegend privatem Umfeld bis hin zu Kanalarbeiten, Bombenentschärfung oder der Analyse im professionellen Bereich. Sie bieten ihren Benutzern die Möglichkeit, simple und lästige Aufgaben abzugeben. Die Bandbreite an Servicerobotern ist sehr groß, da die Bauarten, Aufgaben und Ausprä- gungen extrem breit gefächert sind.

Definition

Die ISO-Norm 8373 definiert Serviceroboter wie folgt:

Die Internationale Organisation für Normung definiert einen Serviceroboter als einen Roboter, der nützliche Aufgaben für Menschen oder Geräte mit Ausnahme von Anwendungen in der industriellen Automatisierung erfüllt. Roboter erfordern einen gewissen Grad an Autonomie, d. h. die Fähigkeit, beabsichtigte Aufgaben auf der Grundlage des aktuellen Zustands und der Wahrnehmung ohne menschliches Zutun auszuführen";. Bei Servicerobotern reicht dies von der Teilautonomie - einschließlich der Interaktion mit dem menschlichen Roboter - bis zur Vollautonomie - ohne aktiven Eingriff des menschlichen Roboters. Die IFR-Statistik für Serviceroboter umfasst daher Systeme, die auf einer gewissen menschlichen Roboterinteraktion oder gar einem vollständigen Telebetrieb basieren, sowie vollständig autonome Systeme. (Auszug: ISO 8373)


Einsatzgebiete

Privater Einsatz

  • Reinigung und Ordnung
Mähroboter der Firma Husqvarna
    • Mähroboter
Mähroboter helfen bei der Rasen- und Grünlandpflege. Sie fahren autonom über meist eine Antriebsachse und eine Lenkachse. Ihre Navigation erfolgt bei alten Modellen ohne Navigation, was bedeutet, dass sie nach Zufall die zu mähende Fläche abfahren. Dabei ist ihre Dimensionierung wichtig, da sie bei zu kleiner Arbeitsbreite nicht das gesamte Arbeitsgebiet erfassen. Bei modernen Lösungen empfängt und sendet der Roboter ein GPS-Signal und weiß daher, wo er schon gemäht hat. Dabei fährt er allerdings keine Muster ab, damit sich diese nicht im Rasenbild festsetzen und er gleichmäßiger wirkt. Bei diesen Modellen kann die Arbeitsbreite geringer ausfallen, da nicht nach dem Zufallsprinzip geschnitten wird. Die Begrenzung der zu bearbeitenden Fläche wird dabei entweder durch ein Kabel, das im Boden ca 13 cm tief verlegt wird, oder per GPS begrenzt. Da die GPS-Technik bei der Begrenzung noch sehr ungenau ist, ist die Verkabelung deutlich verbreiteter. Der Rasenroboter wird mit einem Akku betrieben, den er selbstständig an einer Dockingstation auflädt. Die Messer zum Mähen sind in der Regel Austauschklingen, die in einem Schnellwechselsystem unter dem Roboter fixiert sind. Da der Roboter täglich schneidet und das Schnittgut kompostiert, profitiert davon die Rasengesundheit zusätzlich.
    • Saugroboter
Saugroboter können alle ebenen Flächen von Staub und leichten Verunreinigungen befreien. Sie kommen überwiegend in privaten Haushalten zum Einsatz und arbeiten heutzutage, wie die Mähroboter, mit einem GPS-Signal, um bereits gereinigte Flächen nicht unnötig oft zu überfahren. Die Begrenzung des Arbeitsraumes bestimmt dabei die räumliche Situation, sprich Wände, Möbel und andere häusliche Gegenstände. Erfasst werden diese über einen Berührungssensor an der Außenseite des Roboters. Wichtig für den Einsatz des Roboters sind offene und ebene Räumlichkeiten und geöffnete Zimmertüren. Nach einer Akkulaufzeit von bis zu 2 Stunden lädt sich der Roboter an einer Ladestation selbstständig wieder auf. Saugroboter bedürfen, je nach Verschmutzung, täglicher Wartung in Form von Ausleeren des Schmutzbehälters. Ein Risiko, das der Einsatz eines solchen Helfers mit sich bringt, ist die Gefahr auf den Roboter zu treten und im schlimmsten Fall darauf auszurutschen. Auch sind die aktuellen Modelle nicht in der Lage grobe Verschmutzungen oder Nassverschmutzung zu bereinigen.
Kombinierter Saug- und Wischroboter
    • Wischroboter
Wischroboter funktionieren ähnlich wie Saugroboter, arbeiten allerdings mit einer Nassreinigung. Sie besitzen ein rotierendes Reinigungstuch, das entweder zu Beginn befeuchtet werden muss oder durch einen integrierten Wassertank selbst befeuchtet und gereinigt werden muss. Sie können im Gegensatz zum Saugroboter zwar Nassverschmutzungen beseitigen, allerdings sind auch sie nicht stark genug, um grobe Verschmutzungen zu beseitigen. Eine besondere Ausprägung des Wischroboters ist der Poolroboter. Er arbeitet unter Wasser und reinigt die Böden von Außen- und Innenpools. Da unter Wasser kein autonomes Aufladen möglich ist, muss er zum Aufladen seinem Arbeitsbereich entnommen werden.
  • Hersteller: Die namhaften Hersteller sind bei Wischrobotern die gleichen wie bei den Saugrobotern.
  • Unterhaltung und Freizeit
    • Spielzeugroboter
Spielzeugroboter sind schon seit ca. zwei Jahrzehnten keine Seltenheit mehr. Die Bandbreite reicht dabei von einfachen Kinderspielzeugen wie Roboterhaustieren bis hin zu komplexeren Bausätzen, die zu vereinfachten Darstellungszwecken sogar in der Forschung zum Einsatz kommen. So verwendet das Massachusetts Institute of Technology regelmäßig die Bausätze des Spielzeugherstellers LEGO, um Versuche durchzuführen und eine Einführung in die Robotik zu geben. Auch eine Wettkampfkultur des Robotersports hat sich gebildet, bei der bei Fußballspielen, Wettrennen oder Kämpfen Menschen sich durch ihren Erfindergeist messen. Dabei geht es längst nicht mehr nur um Spaß, sondern um teilweise beachtliche Preisgelder

Professioneller Einsatz

  • Ordnung und Reinigung
Automatischer Fensterreiniger der Firma Sichler
    • Fensterreinigung
Bei der Reinigung von großen Fensterflächen und in großen Höhen kommen heutzutage Reinigungsroboter zum Einsatz. Sie werden an Seilen auf dem Dach eines Gebäudes befestigt und fahren die Fensterflächen auf und ab. Dabei reinigen und trocknen sie die Glasscheiben in einem Schritt, sind wesentlich schneller und mit weniger Risiken verbunden als dies bei menschlichen Arbeitskräften der Fall ist. Modernste Fensterreiniger sind bereits mit Sensoren bestückt, die Risse oder andere Beschädigungen in der Scheibe erkennen und melden können. Zum Einsatz kommen sie meistens bei Hochhäusern oder Gebäuden, die große Fensterflächen besitzen. Auch bei großen Solaranlagen auf Schrägdächern kommen sie zum Einsatz, um die Energieausbeute nicht durch Verschmutzungen zu beeinträchtigen. Bei Solaranlagen auf flachem Untergrund kommen andere Systeme zum Einsatz. Da die Solarplatten dort auf Schienen befestigt sind mit einer Neigung in Richtung der Sonne werden dort fahrbare Roboter eingesetzt, die zwischen den Modulen fahren.
    • Kanal- und Rohrreiniger
Grundsätzlich funktionieren diese beiden Robotertypen gleich. Sie werden speziell für verschiedene Größen von Engräumen konstruiert und reinigen diese. Dabei kommen sie in öffentlichen Anlagen als auch im industriellen Umfeld zum Einsatz, wenn ein Durchspülen der Leitungen nicht mehr ausreicht.
  • Logistik
    • Kommissionierroboter
Aufgrund von Personalmangel in der firmeninternen Logistik greifen große Unternehmen vermehrt auf Kommissionierroboter zurück. Die Kombination aus mobilem Roboter und Manipulator mit Effektor zur Handhabung ermöglicht es Waren flexibel aus ihrem Lagerplatz direkt bis zum Arbeitsplatz, an dem sie benötigt werden, zu befördern. Dabei gibt zunächst ein Portalroboter die Ware aus dem Lager aus und legt diese auf einen dafür vorgesehenen Platz ab, wo sie anschließend von dem mobilen Roboter aufgelesen wird.

Hersteller: Toshiba, Maganzino GmbH und KUKA AG

  • Medizin
    • Chirurgieassistenzsysteme
  • Bei hochkomplizierten und aufwendigen Operationen kommen in modernen Krankenhäusern bei chirurgischen Eingriffen Roboter zum Einsatz. Sie sind präziser und können unruhige Handbewegungen wie das Zittern des Chirurgen kompensieren. Ein Beispiel stellt die Wasserstrahchirurgie dar: Dabei wird von einem Manipulator eine Wasserstrahldüse geführt, die mit hohen Druck einen feinen Strahl erzeugt, der wenige Schichten Gewebe entfernen kann und dabei mit höchster Präzision arbeitet. Die Kosten für solche Systeme sind allerdings immens und besitzen bei den Servicerobotern die höchsten Anschaffungskosten.
  • Überwachung und Sicherheit
Roboter der Fraunhofer Gruppe zur Inspektion von Abwasserkanälen
    • Überwachungsroboter
Roboter zur Überwachung sind für die moderne Infrastruktur unerlässlich. Dabei geht es primär nicht um die Überwachung von Personen und öffentlichen Plätzen, sondern um die Überwachung von Kanälen, Abluftschächten, Rohrleitungen und dergleichen. Überall dort, wo der Mensch aufgrund seiner Größe oder anderen Faktoren Elemente der Infrastruktur nicht Überwachen kann, kommen Roboter zum Einsatz. Das kann der Fall sein, wenn beispielsweise ein unterirdisches Wasserrohr platzt oder Abwasserschächte auf Rissbildung geprüft werden. Die Roboter stehen dabei oft vor Herausforderungen, da sie zwischen einer Störung oder schlichten Verunreinigung entscheiden müssen. In der Regel überwacht ein menschlicher Mitarbeiter permanent über Kameras den Vorgang, da es zu riskant wäre, fehlerhafte Stellen zu übersehen. Sie bieten den großen Vorteil, präzise Fehler zu finden, ohne große bauliche Maßnahmen durchführen zu müssen.
    • Bombenentschärfung
Mit der Herausforderung des Terrorismus und weltweiten Krisenherden, die sich seit den 90er Jahren des 20.Jahrhunderts stark verändert haben, werden Roboter zur Entschärfung von Sprengsätzen immer wichtiger. Um die Leben von Menschen nicht zu gefährden, sind mobile Roboter dabei sehr hilfreich und können im Notfall auch zur Fernzündung der Sprengsätze verwendet werden. Vor allem in Europa und Teilen Asiens kommen solche Roboter zum Einsatz, wenn Kampfmittel aus vergangenen Kriegen beseitigt werden müssen.
  • Land- und Forstwirtschaft
Melkroboter der Firma DeLaval
    • Melkroboter
Melkroboter bieten die Möglichkeit, Milchvieh komplett autonom zu melken. Der Einsatz in der Praxis beschränkt sich aus wirtschaftlichen Gründen dabei auf Milchkühe. Durch ein Futterangebot wird die Kuh zunächst in den Melkstand gelockt, der sich anschließend durch ein Tor automatisch schließt. Ein Scanner erfasst einen Strichcode auf der Ohrmarke der Kuh und beginnt den Melkvorgang. Dabei wird der Euter zunächst mit Wasser gereinigt und anschließend ertasten Infrarot- und Ultraschallsensoren die einzelnen Zitzen, um die Rohmilch abzusaugen. Werte wie Literleistung, Verunreinigungen und Nährstoff- sowie Fettgehalt werden dabei sofort gemessen und in einem Computer gespeichert. Durch den Strichcode können die Parameter dem einzelnen Tier zugeordnet werden. Das ist ein großer Vorteil für das Herdenmanagement und ist neben der enormen zeitlichen Entlastung ein weiterer Grund zur Anschaffung. Obwohl die Anschaffungskosten bei einem Bestand von 60 Tieren bei 50.000 bis 150.000 € liegen, wiegt die sonst übliche tägliche Arbeitszeit von 4 bis 8 Stunden für manuelles Melken die Kosten in den meisten Fällen auf.
    • Autonome Traktoren
Seit 2016 werden von verschiedenen Herstellern Konzepte für Traktoren vorgestellt, die autonom fahren. Sie besitzen keinerlei Führerkabine und arbeiten mit GPS-Systemen zur Navigation. Obwohl GPS-gestützte Systeme im Ackerbau schon länger verbreitet sind, stecken völlig autonome Traktoren noch in der Entwicklung und sind weit entfernt von einer Serienreife. Ihre Einsatzgebiete werden selbst bei einer Serienproduktion in absehbarer Zeit in Europa nicht zu finden sein, da die Landwirtschaft hier zu kleine Flächenstrukturen besitzt. Große Schläge wie in Nordamerika, Australien oder Afrika sind für autonome Traktoren wesentlich prädestinierter. Ebenfalls müssen für den Einsatz so gut wie sämtliche Anbaugeräte neu konzipiert und ausgetauscht werden, was einer Verbreitung dieses Konzeptes noch massiv im Wege steht.
Schreitharvester
  • Folgende Firmen arbeiten an solchen Konzepten: CNH und John Deere
    • Holzvollernter
Zur Holzernte in großen Waldgebieten werden heutzutage Holzvollernter eingesetzt. Dabei handelt es sich um ein Fahrzeug mit einem Ausleger, der den Stamm fällt, ablängt und gleichzeitig entastet. Obwohl diese Maschinen bislang immer von Menschen gesteuert sind, gibt es immer weitere Teilautomatisierungen. So erfolgt die Bedienung des Effektors mit nur einem Knopfdruck und auch beim Antrieb gibt es Fortschritte. Systeme, die nicht auf Ketten oder Rädern fahren, sondern sich auf vier oder sechs Beinen fortbewegen, nennt man Schreitharvester. Sie kommen an Hängen und schwer zugänglichen Orten zum Einsatz. Die Steuerung, Stabilisierung und Bewegungskinematik werden dabei automatisch gesteuert, wobei der Fahrer über die Bedienelemente lediglich einen Wunsch abgibt.
  • Hersteller: John Deere

Verbreitung

Privates Umfeld

Laut Hochrechnungen sind durch die Neuverkäufe weltweit bis Ende des Jahres 2018 35 Mio. Serviceroboter verkauft worden. Der weitaus größte Anteil fiel dabei mit 25 Mio. Einheiten auf Haushaltsroboter, wie Saug- oder Mähroboter, an. In den Jahren 2015-18 konnten sie einen Gewinn von 12 Mrd US-Dollar generieren. Durch die zunehmende Massenproduktion werden die Anschaffungskosten vergleichsweise immer niedriger und somit für Privatkunden rentabler und attraktiver. Dadurch wird der globale Absatz auch in den nächsten Jahren sehr wahrscheinlich weiterhin rasant wachsen. Galt Anfang der 2000er Jahre der Besitz eines Mähroboters noch als luxoriös, so gehören sie heute schon in vielen Vororten und Städten zum gewöhnlichen Landschaftsbild der Gärten.

Unterhaltungs- und Serviceroboter machen mit 9 Mio. Einheiten einen Anteil von ca. 25% aus. Ein großer Zukunftsmarkt für Serviceroboter findet sich in der Alten-, Kranken und Behindertenpflege. Mit dem zunehmenden demographischen Wandel und der alternden Gesellschaft könnte so dem Fachkräftemangel entgegengekommen und bewegungseingeschränkten Menschen geholfen werden. Für die serienreife Produktion sind allerdings noch weitere Schritte in der Entwicklung und Programmierung notwendig. So stieg der Weltmarkt von 2013 auf 2014 um 542% auf 4.416 Einheiten an.

Professionelles Umfeld

Für professionelle Einsatzfelder wurden 2014 24.200 Einheiten an Servicerobotern verkauft. Dabei handelte es sich bei 45 % um Verteidigungssysteme mit einem relativen Anteil von 80 % der Verteidigungssysteme von unbemannten Flugkörpern. Dies stellt einen Anstieg um 7 % zum Vorjahr dar. Die Entwicklung von Exoskeletten nimmt neben dem militärischen Anwendungsbereich auch bei der Unterstützung von bewegungseingeschränkten Menschen dynamische Entwicklungen an. Auch wenn ihr Verkaufsvolumen 2014 bei nur 273 Einheiten lag, so sind die Verkäufe im Vergleich zum Vorjahr um ca 80 % gestiegen.

Weitere 25 % der professionellen Serviceroboter wurden für land- und forstwirtschaftliche Zwecke verkauft. Die Zahl der Feldroboter betrug 5.700 Einheiten mit einem Marktwert von rund einer Mrd US-Dollar. Die Verkaufszahlen der Melkroboter beliefen sich auf 5.180 Stück.

Der Anteil an Servicerobotern in der Medizin ging 2014 um 5 % auf 1.220 Einheiten zurück. Das größte Einsatzgebiet bieten dabei Operations- und Therapiesysteme mit 978 Einheiten, welche mit einem durchschnittlichen Preis von einer Million US-Dollar auch die teuersten Serviceroboter sind. Mit einem Verkaufswert von knapp einer Mrd US-Dollar machen Medizinsysteme etwa 35 % des Gesamtwertes von Servicerobotern aus, jedoch ist zu beachten, dass Medizinroboter öfter als andere Serviceroboter in Leasing-Verträgen von Herstellern angeboten werden.

Forschung und Innovationen

Wartungsroboter Mainbot

Da der Begriff Serviceroboter universell ist, gibt es sehr viele Forschungsprojekte zu Innovationen in diesem Segment. Neben den Herstellerfirmen betreiben auch Forschungseinrichtungen wie die Fraunhofer Gruppe Entwicklungsarbeit. Einige Beispiele von Forschungsprojekten sind:

  • Rotorblattinspektion: Zur Überwachung und Inspektion der Innenräume von Rotorblättern bei Windkraftanlagen hat das Fraunhofer-Institut einen Serviceroboter entwickelt. Er tastet über fotosensitive Sensoren die Innenwände der Blätter ab und liefert die Daten zur Erstellung eines 3D-Modells. Dieses dient der Sicherheit, da ein Rotor an den Außenpunkten durch die große Auslage Geschwindigkeiten von bis zu 400 km/h erreicht und selbst kleine Risse die Stabilität stark gefährden können. Da die Innenräume allerdings sehr eng sind, ist eine menschliche Inspektion weder möglich noch sinnvoll. Link zum Forschungsprojekt
  • Automatisierte Inspektion von Industrieanlagen: Zur Inspektion und Überwachung von Großanlagen, wie Kraftwerken oder Chemieanlagen, in der Industrie wurde der Serviceroboter MAINBOT entwickelt. Eine große Innovation, die mit dem MAINBOT realisiert werden konnte, ist das autonome Fahren in unkostruierten Umgebungen. Er kann selbst auf schwierigem Untergrund eigenständig navigieren und Handhabungs- sowie Sensorarbeiten durchführen. Zum Test wurde er zur Wartung in einem Solarkraftwerk mit 230 Hektar Kraftwerksfläche, 209.664 Solarspiegel, 90 Kilometer Absorberrohre und großen Tanks eingesetzt. Dabei leistete er hervorragende Arbeit. Auch an dieser Entwicklungsarbeit war das Fraunhofer-Institut beteiligt Link zum Forschungsprojekt

Nachweise

Weiterführende Informationen auf IndustryArena.com


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