Ausgabe 07/2015 - Schwerpunkt Maschinen

Roboter: Integration in die Arbeitswelt

Baxter ist sauer

• Für einen geübten Lagerarbeiter waren diese Maschinen wahrlich keine Konkurrenz. Groß, ungelenk, mit überdimensionalen Armen, an denen Greifer, Saugnäpfe oder Schaumstofftrichter befestigt waren, gespickt mit Kameras, Lasern und Kabelsträngen, versuchten 28 Roboter Ende Mai die erste „Amazon Picking Challenge“ in Seattle zu gewinnen. Dazu galt es, in maximal 20 Minuten ein Dutzend Gegenstände aus einem Regal zu holen und in eine rote Plastikwanne zu legen, wie etwa Schokokekse mit Cremefüllung, eine Spülbürste für Babyfläschchen, ein Taschenbuch und eine Quietsche-Ente.

Normale Lagerarbeit eben, wie sie die Arbeiter bei Amazon täglich leisten, und die wollten nun wissen, was ihre Roboterkollegen so draufhaben. Das Ergebnis war ernüchternd. Selbst die drei erstplatzierten Roboterteams verrichteten die Aufgabe quasi im Zeitlupentempo und schafften es gerade mal, zehn der zwölf Produkte zu finden, zu greifen und fehlerfrei für den Versand abzulegen. Mal rutschte einem Roboter das Produkt fast weg, mal konnten die Sensoren nicht erkennen, dass eine quer im Regal liegende Schachtel die gewünschte Ware war. „Die Leistungen waren eher bescheiden, aber nach dem ersten Mal beschleunigt sich immer das Entwicklungstempo“, sagt Bryce Vondervoort, der für den kanadischen Roboterhersteller Clearpath arbeitet und einen der metallenen Lageristen des Wettkampfs mit einem Fahrwerk ausstattete. 2016 will Amazon den Wettbewerb wiederholen, und Vondervoort sagt: „In einem Jahr werden wir erstaunliche Fortschritte sehen.“

Das versprechen die Techniker allerdings schon seit Jahren. Sogenannte kollaborative Roboter sollen mit Menschen zusammenarbeiten, sie sollen flexibel, billig und zuverlässig sein. Bislang aber scheitert das aus mehreren Gründen: Es fängt an beim Misstrauen von Unternehmern und Arbeitern, wen sie sich da ins Werk holen; dann sind die Maschinen noch nicht schnell und präzise genug; schließlich ist noch gar nicht ausgemacht, dass sich teure Roboter für die Firmen auch rechnen – und ob sie bei den Arbeitern nicht nur Angst vor Jobverlust schüren.

Doch derzeit herrscht in der Branche mal wieder Aufbruchstimmung. Dutzende neuer Firmen bringen in schneller Folge neue Modelle auf den Markt, die nicht mehr kosten als ein Auto. Sie basieren fast alle auf demselben, frei verfügbaren Betriebssystem, und viele Hersteller werden von einflussreichen Konzernen wie Amazon, Foxconn oder Google unterstützt. Hinzu kommt, dass das Image der Roboter deutlich besser wurde: Internet und Smartphone haben dabei geholfen, technische Assistenten sympathisch erscheinen zu lassen.

Einer, der auch dazu beigetragen hat, ist Rodney Brooks. Er war Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und gilt als einer der Väter der modernen Robotik. Der 60 Jahre alte Australier hat schon einmal demonstriert, wie man Maschinen unter Menschen bringt: Mit seiner Firma iRobot machte Brooks den leise durchs Haus surrenden Staubsauger namens Roomba millionenfach salonfähig. Für sein zweites Unternehmen namens Rethink Robotics gab er seinen Lehrstuhl auf, um Roboter mit guten Manieren in die Forschung, Fertigung und Logistik zu bringen.

„Wird ein Meer von Robotern ein Meer von Arbeitern ersetzen?“, fragt er. „Sicher nicht. Aber wir werden schneller als erwartet von ein bis zwei oder drei Prozent Roboterdurchdringung am Arbeitsplatz zu 20 bis 30 Prozent gelangen. Wir stehen bei Robotern ungefähr da, wo wir in den Achtzigerjahren mit Personal Computern waren.“ Ein Rechner in jedem Haushalt – das hörte sich damals verrückt an. Brooks ist sich sicher, dass die Menschen sich Roboter wünschen, die ihnen langweilige oder mühsame Aufgaben abnehmen: „Niemand steht für einen Job in einer Fabrik Schlange, nicht einmal in China.“

Die Überalterung der Bevölkerung in den Industriegesellschaften werde den Trend beschleunigen, erwartet er. „Wenn mir jemand mit dem Argument kommt, dass Roboter Menschen die Arbeit wegnehmen, frage ich immer: Willst du, dass deine Kinder am Fließband stehen? Oder sollen sie lieber etwas anderes machen?“

Sawyer ans Fließband!

Am Fließband stehen sollen nach Brooks’ Willen eher Baxter oder Sawyer. Das sind die zwei ersten Roboter, die er mit seiner neuen Firma auf den Markt gebracht hat und die dem Versprechen der hilfsbereiten Maschinen schon recht nahekommen.

Baxter wiegt 75 Kilo und hat zwei große rote Arme, jeder mit sieben Achsen ausgestattet. Obendrauf sitzt ein Monitor, auf dem ein gut gelauntes oder besorgtes Augenpaar samt Brauen den Kollegen aus Fleisch und Blut vermittelt, wie es in der Schicht so läuft. Geht etwas richtig schief, färbt sich der Monitor blutrot. Bisher sind rund 300 dieser Roboter in Forschungseinrichtungen im Einsatz, ein „paar Tausend“ in Firmen, die meist ungenannt bleiben wollen, während sie mögliche Anwendungsgebiete testen.

„Baxter ist vom Design so angelegt, dass er in unmittelbarer Umgebung von Menschen arbeiten soll, die einen bis anderthalb Meter entfernt sind“, sagt Brooks. Zum Beispiel, um elektronische Komponenten, die ein Arbeiter auf einem Rollwagen nachlegt, zusammenzusetzen und zu testen. Oder schwere Bleche passgenau auf eine Presse zu legen, und das stundenlang ohne Pause. Dank mehrerer Kameras, Ultraschallsensoren und entsprechender Software kommt Baxter damit zurecht, wenn die Arbeitsmaterialien nicht genau vor seinen Armen liegen oder die Geschwindigkeit eines Fließbandes schwankt.

Baxter macht alles nach

Im Juli wird Rethink die ersten Exemplare von Sawyer ausliefern, dem neuesten Modell. Mit ihm reagiert die Firma auf Kundenwünsche in einer Welt, in der Produktionszyklen sich immer schneller ablösen. Elektronikhersteller etwa müssen ihre Fertigung regelmäßig an neue Modelle und Bauteile anpassen. Und sie wollen Roboter, die an Fertigungsstraßen nicht mehr Platz brauchen als ein Arbeiter. Deswegen hat Sawyer nur noch einen Arm. Die Maschine wiegt gerade mal 19 Kilo und kann bis zu vier Kilo heben.

Mit einem Preis von 25 000 Dollar für Baxter und 29 000 Dollar für Sawyer zielt Brooks auf den Mittelstand, der sich bisher nicht an Roboter heranwagte. „Unser kleinster Kunde hat nur neun Mitarbeiter. Er kauft einen Roboter und will ihn sofort in die Produktion integrieren“, sagt Brooks. Nach bald drei Jahren auf dem Markt und Feldstudien mit Maßband und Videokamera hat er festgestellt, dass auch große Unternehmen Interesse an den kleinen agilen Maschinen haben, die sich an eine Steckdose anschließen lassen und innerhalb weniger Tage einsatzbereit sind.

„Es ist eine Kostenfrage“, sagt der Produktmanager Brian Benoit. „Der Preis für ein traditionelles Robotersystem ist in der Regel drei- bis viermal so hoch wie das Gerät, denn dazu kommen Greifer und Sockel sowie Systemintegration und Sicherheitsvorkehrungen, etwa ein Käfig oder Lichtschranken.“

Bei kollaborativen Robotern sei das anders, so Benoit. Sie seien deutlich billiger und müssten nicht aufwendig programmiert werden, sondern könnten von einem Menschen angelernt werden. Dazu kann entweder ein Programm aufgespielt werden oder ein Arbeiter die Arme und Greifer ein paarmal führen, bis der Roboter die neue Routine gespeichert hat. Außerdem nehmen sie Rücksicht, wenn sie Menschen in ihrer Nähe erkennen.

„Früher musste ein Team aus Werksingenieuren wochenlang an neuen Prozessen arbeiten, jetzt geht das in ein paar Tagen“, sagt Benoit. Besonders große Nachfrage komme bislang aus der leichten Fertigung, bei der kleine bis mittelgroße Teile bewegt und zusammengesetzt werden, sowie von Logistikfirmen, die damit ihren Durchsatz erhöhen wollen, indem sie bestehende Arbeitskräfte von schweren und ergonomisch anstrengenden Handgriffen entlasten.

So schön das klingt, so schwierig ist es oft, Roboter in bestehende Arbeitsprozesse einzugliedern. Bislang gelten sie als gefährliches Gerät. Sie übernehmen grobe Tätigkeiten und werden in Käfige gesperrt oder hinter Lichtschranken platziert, wo sie stanzen, schweißen oder lackieren. Menschen haben in ihrer Nähe nichts zu suchen. Nach Angaben der International Federation of Robotics (IFR) wurden allein 2014 weltweit rund 225 000 solcher Geräte verkauft, sodass nun geschätzte zwei Millionen von ihnen im Einsatz sind. Die wichtigsten Käufer sind Automobilhersteller und Zulieferer, gefolgt von den Sparten Elektrotechnik und Elektronik sowie Metallverarbeitung und Maschinenbau.

Das sind in der Regel große Anlagen, deren Preis im sechsstelligen Bereich liegt. Die Roboter sind dann in Fertigungsstraßen und ausgeklügelten Produktionssystemen integriert. Wie jedoch passen leichte, preiswerte Roboter da hinein? Sind sie noch Industrieroboter, die in getrennten Räumen arbeiten müssen, oder gehören sie zu den sogenannten Servicerobotern, die man zunehmend in kleinen Unternehmen, Krankenhäusern, Büros oder Haushalten findet?

Darüber denkt der Branchenkenner Christian Abt nach. Er war Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung und gründete 1997 die Firma Erhardt und Abt Automatisierungstechnik GmbH, die zur Heitec Gruppe gehört. Sie hat sich auf die Automatisierung von technischen Röntgen- und Prüfanlagen spezialisiert, die Räder oder Achsteile durchleuchten.

„Wir schauen uns kollaborative Systeme seit Jahren an, aber für Anlagenbauer war es immer eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Es gab einfach keine Kunden.“ In den vergangenen Jahren, so Abt, habe sich das jedoch geändert, da kleinere Systeme plötzlich bezahlbar geworden seien. „Das Thema wird zumeist anders gesehen, aber es ist nach wie vor schwer, unsere Kunden zu bekehren“, sagt er. „Es herrscht immer noch das Missverständnis vor, dass es sichere Roboter gäbe. Aber das stimmt nicht. Es kommt immer auf die Anwendung an, was Kraft und Geschwindigkeit angeht.“ Sprich, theoretisch kann man auch von einem freundlichen roten Arm verletzt werden.

Viel problematischer ist es aber, dass Abts typische Kunden große Automobilbauer mit langen Zyklen sind. „Die Produktionsmittel in solchen Werken unterliegen einer eigenen Norm. Detaillierte Betriebsmittelvorschriften sorgen dafür, dass Komponenten fünf bis zehn Jahre alt sind. Die kann man nicht monatlich updaten“, sagt Abt.

Bis kleine, agile und flexible Roboter etwa bei Daimler Einzug halten, wird noch viel passieren müssen.

Foxbot sucht Freunde

Bleibt die schnell getaktete Elektronikindustrie. Hersteller wie die taiwanesische Firma Foxconn, der weltweit größte Auftragsfertiger, produzieren Dutzende Smartphone- und Tablet-Modelle für diverse Marken, von Apple bis zum Newcomer Xiaomi. Sie müssen ihre Fertigungsstraßen alle paar Monate umstellen, um eine sich verändernde Palette neuester Geräte in millionenfachen Stückzahlen herzustellen, sobald die Nachfrage anzieht. Doch selbst hier sind Roboter noch weit davon entfernt, den Menschen zu ersetzen.

Foxconn-Gründer Terry Gou prophezeite vor vier Jahren, dass heute eine Million Roboter an seinen Bändern stünden. Es sind nur rund 50 000 Roboter und mehr als eine Million Arbeiter. Das Ziel, mit Automatisierung dem Arbeitskräftemangel, Streiks und Protesten zu begegnen, ist also in weiter Ferne.

Und das, obwohl das Unternehmen seit 2007 einen eigenen Roboter namens Foxbot entwickelt und davon im Jahr rund 10 000 Stück herstellt. Er kann mehr als zehn Fertigungsschritte automatisch erledigen und arbeitet in ein paar Werken bereits selbstständig. Doch eine vollautomatische Fertigung ist angesichts der kurzen Produktzyklen von Smartphones nicht kosteneffizient, da Roboter einem flexiblen Arbeiter immer noch unterlegen sind.

Die Lösung bestehe darin, sagt Rodney Brooks, die Belegschaft mit Robotern zu durchmischen. Die Voraussetzung dafür: Sie müssen fingerfertig genug sein. An der Gewandtheit und dem Sehvermögen der Maschinen arbeiten neben Rethink noch jede Menge anderer Start-ups. Viele von ihnen verwenden dazu ein Open-Source-Betriebssystem namens ROS, das während des vergangenen Jahrzehnts von Forschern im Silicon Valley entwickelt wurde.

Die Software hat nach Expertenmeinung das Zeug, sich zum Äquivalent des Android-Betriebssystems zu entwickeln – einer kostenlosen Softwarebasis, auf der Programmierer schnell, einfach und billig neue Ideen umsetzen können. Die Sammlung an Werkzeugen und sogenannten Programmbibliotheken bietet bequeme Routinen, etwa um einem Roboter bestimmte Handgriffe beizubringen oder ihn darin zu schulen, seine Umgebung wahrzunehmen. Ohne diese Fähigkeit kann sich ein automatisches System nicht in einem Warenlager zurechtfinden oder Objekte erkennen.

Da ROS von einer weltweiten Entwicklergemeinde regelmäßig aktualisiert wird, werden kollaborative Roboter immer preiswerter. Zudem haben Hersteller wie Rethink Entwicklerpakete herausgebracht, mit denen Dritte Anwendungen schreiben können, wie es heute mit Apps für ein Smartphone üblich ist. Das ist eine grundsätzlich andere Vorgehensweise als die von traditionellen Automatisierungsanbietern, die viele Jahre und oft Milliardenbeträge in geschlossene Systeme investiert haben.

Roboter, die ihrem Menschen folgen

Das Prinzip zahlt sich offenbar aus. Inzwischen mehren sich die Anzeichen, dass große Unternehmen auf die kleinen Roboter aufmerksam geworden sind. So kaufte die US-Firma Teradyne, ein Spezialist für automatische Testanlagen, im Mai den dänischen Roboterpionier Universal Robots für 285 Millionen Dollar. Und das Onlinewarenhaus Amazon schluckte 2012 für eine Dreiviertelmilliarde Dollar die Firma Kiva Systems aus Massachusetts, um mit deren automatischen Wagen den Versand zu automatisieren – ein Geschäft, das traditionell von saisonalen Engpässen und hohen Fluktuationsraten geplagt ist.

Kivas Roboter haben die Größe eines Staubsaugers und finden sich in den Warenlagern von Amazon mit auf den Boden geklebten QR-Codes zurecht. Sie transportieren kleine, ebenfalls kodierte Regale zu den Arbeitern, die als Picker tätig sind. Als hundertprozentige Tochter von Amazon verkauft Kiva sein Bündel aus Hard- und Software, zu dem das maßgeschneiderte Regalsystem gehört, bisher nur in den USA.

Für Melonee Wise ist das nur der Anfang der unauffälligen und preiswerten Automatisierung. „Industrieroboter und kollaborative Roboter nähern sich einander an“, sagt die Chefin der gerade einmal neun Monate alten Firma Fetch Robotics im kalifornischen San José. Wise hat die vergangenen 14 Jahre damit verbracht, automatische Systeme zu entwickeln, und dabei auch am Betriebssystem ROS mitgearbeitet. Seit Herbst 2014 arbeitet sie an ihrem neuesten Projekt: zwei billige, mobile Transport- und Greifroboter, die Fetch und Freight heißen.

Fetch Robotics gibt eine Vorstellung davon, wie diese Maschinen ihre Nische finden werden: als harmlos daherkommende Ergänzung zum Menschen. Amazon und Ebay wollen in den USA ein dichtes Netz von Warenlagern für die Lieferung am selben Tag oder sogar innerhalb weniger Stunden ausbauen, davon erwartet sich Wise einen enormen Nachfrageschub für ihre Produkte.

Im Gegensatz zu Sawyer ist der hellblau-graue, einarmige Fetch-Greifer ab Werk mobil und lässt sich ebenso wie Freight mit Smartphone oder Tablet bedienen. Da die Roboter sich orientieren können, müssen Lagerhallen nicht mit speziellen Aufklebern oder drahtlosen Sendern präpariert werden. Das hält die Kosten niedrig und verkürzt die Einführungsphase.

Ein Mitarbeiter lernt die Maschine an, die ihm dann folgt. Die Kameras können Beine erkennen und halten die Maschine auf Abstand. Sobald die Ladefläche voll ist, setzt sich Freight in Bewegung Richtung Versandabteilung und findet dort seinen Kollegen wieder – egal ob es sich um den Robotergreifer oder einen Menschen handelt.

Beide Roboter entwickelte das Team von Wise in gerade mal acht Monaten und einem Budget von nur drei Millionen Dollar – von den ersten Skizzen bis zu Testexemplaren für Labors und Firmenkunden. Da das System auf ROS und vielen Bauteilen von der Stange basiert, lässt es sich schnell anpassen und erweitern. „Roboter nehmen uns unangenehme Arbeit wie endlose Lauferei ab, aber sie vernichten keine Arbeitsplätze“, sagt Wise, während in einem leeren Büro hinter ihr ein Greifarm immer wieder die gleichen Bewegungen vollführt – ein Test, um herauszufinden, wann Fetch den Geist aufgibt. „Automatisierung schafft eine vollkommen neue Wirtschaft, so wie das Internet eine neue Wirtschaft hervorgebracht hat. Das sorgt am Anfang für Verwerfungen, aber mittel- bis langfristig bedeutet das Wachstum und mehr Jobs.“

Um in der Zwischenzeit auf Nummer sicher zu gehen, hat sie Fetch ein paar Tricks beigebracht, die ihn vor der Missgunst seiner menschlichen Kollegen schützen soll. Der Roboter registriert, wenn er geschubst oder getreten wird — und hält mit seinen Motoren dagegen. Es leistet eine Art gewaltlosen Widerstand. „So“, erklärt Wise, „ist es fast unmöglich, den Roboter eine Treppe hinunterzustoßen, wenn niemand hinsieht.“ ---

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