Custom Sensor Assemblies for Robotic and Cobotic OEMs

One of the key issues in robotics is co-ordinating data so that control functions work effectively. At HBK, our expertise lies in sensors that measure torque, force, mass, pressure. But we also know that other data dimensions are involved: acceleration, contact, distance, gyroscope, humidity, inertia, light, navigation, position, pressure, proximity, sound, temperature, tilt, voltage – and more.

Die Herausforderung

Warum haben wir Roboter? Viele gute Gründe kommen mir in den Sinn. Sie können nach Aktivitäten, Umgebungen, Produktivität und Wirtschaftlichkeit gruppiert werden.

Einige Aktivitäten sind repetitiv und langweilig. Das Anziehen der Radmuttern mag durchaus ein wesentlicher Schritt in einer Autoproduktionslinie sein, aber es ist keine Tätigkeit, die als "erfüllende Karriereoption" eingestuft werden kann. Am anderen Ende der Skala gibt es Aktivitäten, die komplex und schwierig sind. Aber fügen Sie das Element der Wiederholung wieder hinzu, und die Frustration kehrt zurück. Wie viel besser ist es, sich wiederholende Aufgaben wie Zerspanung und Fräsen an CNC-Maschinen zu delegieren und der menschlichen Fantasie freien Lauf zu lassen, um mit neuen Ideen zu experimentieren.

Es gibt viele Arbeitsumgebungen, die Menschen als unangenehm empfinden. Orte, an denen es zum Beispiel zu viel Hitze oder Kälte, Feuchtigkeit oder Trockenheit, Lärm oder Vibrationen gibt. Einige Umgebungen stellen ein inhärentes Gesundheitsrisiko dar: Lackierkabinen, Kernreaktoren, Vulkane, Polarregionen.

Und dann gibt es noch Arbeitsumgebungen, die geradezu gefährlich sind: Minen, Tiefseeeinsätze, größere Höhen, Weltraum. Anstatt Leib und Leben zu riskieren, können wir Roboter bauen, die mit solchen Umgebungen umgehen.

Produktivität ist ein guter Grund für Roboter. Maschinen können Arbeiten schneller, genauer und konsistenter ausführen als Menschen. Und sie erfordern weniger Ausfallzeiten. Zusammengenommen ergeben diese Ideen ein starkes wirtschaftliches Argument für Roboter. Roboter, die Arbeiten verrichten, die Menschen nicht tun wollen, und die einen höheren Wert erzeugen als die Betriebs- und Betriebskosten, sind ein Gewinn für die Gesellschaft.

Es gibt noch einen weiteren Grund, warum wir Roboter haben: die menschliche Neugier. Die einfache Tatsache ist, dass manche Menschen einen enormen Kick daraus ziehen, elegante Lösungen für anspruchsvolle Probleme zu entwerfen.

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Die Antwort
Die Chance

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Roboter, wie wir sie heute kennen, sind eine Kombination aus Informatik und Ingenieurwesen. Sensoren sammeln Daten über die Umgebung; Ein Steuerungsprogramm bestimmt, wie und wann sich der Roboter verhält; Aktuatoren führen die Aktion aus; Sensoren sammeln Daten über die Interaktion und geben Feedback an das Steuerungsprogramm, Repeat unendlich, in Echtzeit.

Hinter dieser einfachen Formulierung – "Sensoren sammeln Daten" – verbirgt sich eine enorme Komplexität. Jeder Sensor muss die Signale, für die er ausgelegt ist, zuverlässig und genau beobachten. Bei Regelungsalgorithmen geht es jedoch selten nur um ein einziges Datenelement - mehrere Signale müssen in verwertbare Daten umgewandelt und an die Steuerung weitergeleitet werden. Unsere Expertise bei HBK liegt in Sensoren, die Drehmoment, Kraft, Masse und Druck messen. Wir wissen aber auch, dass es sich um andere Datendimensionen handelt: Beschleunigung, Kontakt, Entfernung, Gyroskop, Feuchtigkeit, Trägheit, Licht, Navigation, Position, Druck, Nähe, Schall, Temperatur, Neigung, Spannung – und mehr. Eine der zentralen Fragen in der Robotik ist es, Daten so zu koordinieren, dass Steuerungsfunktionen effektiv funktionieren.

Das Thema Sensorik und Programmierung wird komplexer, sobald sich der Mensch nähert. Die Idee eines Roboters als Helfer – ein Co-Bot (kollaborativer Roboter) – führt zusätzliche Sicherheitsparameter ein. Roboter dürfen sich nicht mit einem Drehmoment bewegen, das einen Menschen verletzen würde, daher müssen Sensoren schneller reagieren, Aktoren müssen schneller abbremsen. Auch diese Aspekte wurden international diskutiert und vereinbart: Sowohl IEEE als auch ISO haben Standards herausgegeben.

Noch komplexer werden die Fragen, wenn sich der autonome Roboter – gesteuert durch ein Programm der Künstlichen Intelligenz (KI) – ins öffentliche Leben wagt. Denn obwohl er unabhängig von seinen Programmierern handeln muss, kann der Roboter in der Praxis Annahmen und Vorurteile erben, die die Definition der Programmierteams von "normalen", "akzeptablen" oder "wünschenswerten" Entscheidungen widerspiegeln. Führende Institutionen wie das IEEE, aber auch Universitäten wie Stanford und das MIT erkennen die "Roboterethik" inzwischen als wichtiges Feld an.

Bei aller Raffinesse sind statische Roboter für Produktionslinien konzeptionell "einfach". Sie erfüllen in der Regel eine bestimmte Funktion: zum Beispiel: Schneiden, Pressen, Schweißen oder Lackieren. Der einzelne Roboter kennt die Funktion, die er ausführt, nicht; noch der Prozess, der ihm vorausgeht oder folgt; geschweige denn das Konzept der Teamarbeit.

Die eigentliche Intelligenz liegt in der Definition der Abfolge von Roboteraktionen, die von menschlichen Experten bereitgestellt wird. Und "eine bessere Lösung zu finden" ist eine von Natur aus menschliche Tätigkeit. Die Suche nach einem effektiveren konzeptionellen Modell für einen Roboter ist ein grundlegendes Thema. Dies wirkt sich nicht nur auf das Roboterdesign, sondern auch auf die praktische Bedienung aus. Interessanterweise stammen viele Modelle aus der Natur.

Verhaltensweisen, die beispielsweise bei Insekten beobachtet werden, tragen zur Steuerung von Fetch-and-Carry-Lagerrobotern bei. Jeder einzelne Roboter folgt einfachen Regeln, um sicherzustellen, dass er seine Mission erfüllt, ohne anderen in die Quere zu kommen. Die ausgefeilteren konzeptionellen Modelle nutzen Erkenntnisse aus der Beobachtung von Schwärmen in der Natur – von Insekten, Vögeln oder Fischen –, um es einzelnen Robotern zu ermöglichen, Informationen auszutauschen und ihre Aktionen zu koordinieren, um die Effektivität zu erhöhen.

Das Marktpotenzial für Produktionsroboter erweitert sich stetig. Roboter, die Bestände in der Fabrikhalle bewegen, sind Mainstream. Auf der Suche nach mehr Effizienz bieten einige Anbieter die Möglichkeit, bei der Kommissionierung von Lagerbeständen die Regale zu erklimmen. Andere haben sowohl das Lagersystem als auch den Roboter, der darauf zugreift, neu gestaltet, um die Lagerfläche optimal zu nutzen.

Follower-Roboter können schwere Lasten tragen (wie Burro für Bauern oder Gita für Stadtbewohner). Autonome Roboter sind auf dem Vormarsch – sowohl auf privaten Industriegeländen (wie Fabriken oder Bergwerken oder zur Reinigung von Lagerhallen) als auch im öffentlichen Raum, z. B. für Lieferdienste. Inzwischen sind andere Konzepte aufgetaucht und haben zusätzliche Möglichkeiten geschaffen, wie z.B. mobile Roboter, Flugroboter und weiche Roboter.

Werden Roboter die Arbeitswelt verändern? Das haben sie bereits. Viele Tätigkeiten, die sich wiederholen, langweilig, unbequem oder geradezu gefährlich waren, werden bereits von Robotern übernommen. Inzwischen wurden personelle Ressourcen freigesetzt, die es den Menschen ermöglichen, das zu tun, was sie am besten können: anspruchsvolle und innovative Lösungen für herausfordernde Probleme zu entwickeln. Es sieht so aus, als würde sich dieser Trend fortsetzen. Wenn es uns gelingt, die Produktivität zu steigern und eine gleichmäßigere Verteilung des Wohlstands innerhalb und zwischen den verschiedenen Gesellschaften auf der ganzen Welt herbeizuführen, kann eine Welt mit Robotern definitiv ein besserer Ort sein.

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