Was ist industrielle Robotik?

Industrielle Robotik ist ein Bereich der Robotik, der sich mit der Entwicklung, dem Bau und dem Einsatz automatisierter Maschinen (Roboter) zur Ausführung von Aufgaben in Fertigungs- und Industrieumgebungen beschäftigt.

Industrieroboter sind auf die effiziente und zuverlässige Bewältigung verschiedener konkreter, sich wiederholender oder gefährlicher Aufgaben ausgelegt und entsprechend programmiert. Heute arbeiten sie in vielen verschiedenen Branchen gemeinsam mit menschlichen Arbeitskräften an der Optimierung von Logistikabläufen, der Verbesserung der Qualitätskontrolle und der Beschleunigung von Produktionsprozessen. 

Industrieroboter kommen heute in vielen Bereichen zum Einsatz, zum Beispiel für Aufgaben mit hoher Beanspruchung in der Automobilindustrie oder High-Tech-Anwendungen im Gesundheitswesen.

Automobilproduktion

Industrieroboter werden in Automobilfertigungsstraßen häufig für Präzisionsschweiß-, Lackier- und Hochgeschwindigkeitsmontagearbeiten eingesetzt. 2025 haben schätzungsweise etwa 65 % der Automobilunternehmen Industrieroboter eingesetzt. Viele große Automobilunternehmen wie BMW, Tesla, Toyota und Mercedes-Benz haben in vielen Bereichen Industrieroboter eingeführt. Die meisten Roboter sind (5- oder 6-achsige) Gelenkarmroboter, die zur Verbesserung der Präzision und Sicherheit von Fertigungsprozessen eingesetzt werden. Ihr zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass sie an schwer zugänglichen Stellen schweißen können, die für menschliche Arbeitskräfte unzugänglich oder (aufgrund giftiger Dämpfe) zu gefährlich sind. Der Einsatz von Industrierobotern in der Automobilindustrie hat die Arbeitskosten gesenkt, die Sicherheit verbessert, die Produktion beschleunigt und die Herstellungskosten reduziert.

Gesundheitswesen

Industrieroboter werden im Gesundheitswesen für verschiedene Aufgaben eingesetzt, zum Beispiel für die sterile Handhabung und Prüfung von Pharmazeutikabestandteilen, die Entwicklung von fortgeschrittenen Prothesen (Exoskeletten usw.) und endoskopische Roboterchirurgie. Die Roboterchirurgie ist der am weitesten entwickelte Bereich der Industrierobotik mit hochpräzisen Gelenkarmen und Endeffektoren. Roboterarme dienen Chirurg*innen als Verlängerung ihrer eigenen Arme. Derzeit werden jährlich über 2 Millionen roboterassistierte Operationen durchgeführt. Schätzungen zufolge könnte der Markt für medizinische Robotik 2030 über 45 Milliarden Dollar und 2034 dann 54 Milliarden Dollar wert sein.

Mit diesen Robotern können erfahrene Chirurg*innen, deren Geschicklichkeit mit den Jahren vielleicht nachgelassen haben könnte, weiterhin lange Operationen durchführen. Chirurg*innen können damit aus der Ferne operieren. Solche medizinischen High-Tech-Verfahren sind damit auch in ländlichen und abgelegenen Gebieten möglich, die normalerweise keinen Zugang zu Gesundheitstechnologien haben – solange die Kommunikation über Satelliten für eine gute 5G-Verbindung sorgt und dadurch Latenzzeiten während des Eingriffs verhindert. Viele Unternehmen bauen derzeit Industrieroboter für das Gesundheitswesen, zum Beispiel Intuitive Surgical Inc, Stryker, Medtronic, Smith & Nephew und Siemens Healthineers.

Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Roboter werden in der Luft- und Raumfahrt zu anderen Zwecken als in der Automobilproduktion eingesetzt. Da das Produktionsvolumen nicht so hoch wie in der Automobilindustrie ist, kommen in der Luft- und Raumfahrtindustrie weniger Roboter zum Einsatz. Hersteller aus der Luft- und Raumfahrt nutzen Industrieroboter in erster Linie zum Beschichten großer Flugzeugrümpfe und anderer wichtiger Komponenten mit Verbundplatten. Industrieroboter tragen in der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Reduzierung von Abfällen, zur Verbesserung der Sicherheit und zu nachhaltigerer Fertigung bei.

In Verteidigungsanwendungen werden sie jedoch häufig eingesetzt. Der Verteidigungssektor verwendet Industrieroboter für den Materialtransport und für gefährliche Erkundungsmissionen, wie das Auffinden versteckter Minen und Bomben, Unterwasserexpeditionen und Einsätze zur Eindämmung radioaktiver Strahlung. Industrieroboter werden in Umgebungen eingesetzt, die als zu riskant oder gefährlich für Menschen gelten.

Die NASA, das US-Verteidigungsministerium und große Luftfahrtunternehmen wie Airbus, Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grumman und Raytheon verwenden Industrieroboter. Viele dieser Unternehmen kombinieren Roboter mit fortschrittlichen KI-Fähigkeiten über alle Anwendungen hinweg, um sie intelligenter zu machen.

Elektronikfertigung

Industrieroboter kommen häufig auch in verschiedenen Elektronik- und Halbleitermontagelinien zum Einsatz. Sie dienen zur Ausführung verschiedener Aufgaben, bei denen keine Verunreinigungen auftreten dürfen, Genauigkeit bis auf den Mikrometer benötigt wird und der Durchsatz sehr hoch ist. SCARA-Roboter (Selective Compliance Assembly Robot Arm) und Delta-Roboter mit drei Armen, die an der Basis mit Universalgelenken verbunden sind, werden in der Elektronikfertigung häufig für die Handhabung von Wafern oder Bauteilen und Montagevorgänge wie zum Beispiel das Löten eingesetzt.

Nach Angaben der Industrial Federation of Robotics verwendet die Elektronikbranche weltweit etwa 1 Million Roboter, davon schätzungsweise 506.000 ausschließlich für industrielle elektronische Komponenten. Der zunehmende Einsatz von Industrierobotern liegt auch in den gestiegenen Produktionsanforderungen begründet, die bis mindestens 2030 jedes Jahr um 5,6 % wachsen werden. Dabei ist der asiatisch-pazifische Raum mit einem Marktanteil von 42 % führend, gefolgt von Europa mit 28 % und Nordamerika mit 23 %.

Logistik

Im Logistiksektor werden verschiedene kollaborative Roboter (Cobots) und mobile Roboter eingesetzt, um Kosten zu senken und die Effizienz zu steigern. Sie automatisieren Lagerbetriebsabläufe und gewährleisten Effizienz rund um die Uhr, die menschliches Personal nicht erreichen kann (da Menschen Pausen benötigen). Industrieroboter in Logistikumgebungen führen eine Reihe automatisierter Pick-and-Place-, Sortier-, Palettierungs-, IoT-basierter intelligenter Lagerbestandsverfolgung und Lagernavigationsoperationen durch. Amazon ist das größte und beste Beispiel für den Einsatz von Logistikrobotern und setzt mittlerweile über eine Million Roboter in den unternehmenseigenen Lagern ein. Bis 2027 wird der Markt für Lagerautomatisierung weltweit einen Wert von schätzungsweise 41 Milliarden US-Dollar erreichen.

Es gibt viele verschiedene Arten von Industrierobotern, die in verschiedenen Branchen unterschiedlichen Zwecken dienen. Außerdem gibt es verschiedene Roboterklassen, die ebenfalls vielseitig einsetzbar sind. Es folgt eine Übersicht über die gängigsten Klassen von Industrierobotern.

Gelenkarmroboter

Gelenkarmroboter sind Roboter mit mehrachsigen Drehgelenken. Sie sind sehr manövrierfähig und ähnlich geschickt wie ein Mensch. Sie kommen häufig in der Automobilproduktion zum Einsatz. Sie kosten zwar mehr als einfachere Roboter, lassen sich aber flexibel verändern, vielseitig einsetzen und für viele Anwendungen anpassen.

SCARA-Roboter

SCARA-Roboter (Selective Compliance Assembly Robot Arm) sind einfache Roboter, die sich vor allem horizontal bewegen. Ihre vertikale Reichweite ist beschränkt. Trotz dieser Einfachheit eignen sie sich für Aufgaben wie Bestückungsvorgänge, die in einer Ebene gelagert sind, besser als Gelenkarmroboter. Sie sind in der Elektronik- und Pharmaindustrie sehr verbreitet, weil sie kompakt sind, nur wenig Wartungsarbeiten erfordern und sich in bestehende Workflows integrieren lassen.

Kartesische Roboter

Kartesische Roboter sind einfache Industrieroboter, die häufig in der additiven Fertigung eingesetzt werden. Die Bewegung dieser Roboter ist linear und mithilfe von kartesischen Koordinaten vordefiniert. Sie sind günstig und leicht zu bedienen wie SCARA-Roboter, doch ihre Flexibilität ist begrenzt. Sie lassen sich aber problemlos in Workflows für die Automatisierung und Zusammenarbeit integrieren.

Delta-Roboter

Delta-Roboter haben die Form des Buchstaben "D" bzw. des griechischen "Delta". Sie gehören zu den schnellsten Robotern in industriellen Anwendungen überhaupt und dienen daher oft zur Beschleunigung der Bestückung. Sie sind in der Verpackungs-, Pharma- und Elektronikindustrie weit verbreitet, weil sie lange Zeit mit hoher Geschwindigkeit arbeiten können. Sie sind aber komplexer als andere Roboter, weil sie mehrere Arme mit parallelen Verbindungen haben und ihre Armbewegung nicht von den Endeffektoren, sondern von einer festen Basis aus gesteuert wird (inverse Kinematik).

Zylindrische Roboter

Zylindrische Roboter unterscheiden sich geringfügig von anderen Roboterarmen. Sie haben einen primären Arm, der sich nach oben und unten bewegen kann, anstatt sich auf einer Achse zu bewegen, und erzeugen eine Bewegung, bei der dieser Arm aus- und eingefahren wird. Zylindrische Roboter haben ein 3D-Koordinatensystem für die Positionen, in die sie gebracht werden sollen, um Aktionen auszuführen. Zylindrische Roboter kommen bei Transport-, Punktschweiß-, Formguss-, Beschichtungs- und Veredelungsanwendungen, aber auch bei automatisierten Förderbandoperationen zum Einsatz.

Mobile Industrieroboter

Mobile Industrieroboter sind Roboter, die sich in einer Anlage bewegen können. Es gibt zwei Haupttypen mobiler Industrieroboter: Geführte und nicht geführte Roboter.

Geführte mobile Roboter werden als fahrerlose Transportsysteme (FTS) bezeichnet. Sie bewegen sich auf einer festgelegten Route durch eine Anlage, von der sie an keiner Stelle abweichen. Viele der Roboter in Amazon-Lagern sind FTS. Sie sind auch in der Halbleiterherstellung weit verbreitet.

Nicht geführte mobile Roboter werden als autonome mobile Roboter (AMR) bezeichnet. Diese Roboter verwenden verschiedene Sensoren, zum Beispiel Kameras, Lidar, Ultraschall-, Infrarot- und Trägheitsmessgeräte (IMU), sowie simultane Lokalisierungs- und Mapping-Algorithmen (SLAM) für die autonome, nicht routengeführte Navigation in Anlagen, um unterwegs Hindernissen auszuweichen (und selbständig eine neue Route zu finden, wenn die ursprüngliche blockiert ist). AMRs werden in vielen Anwendungen eingesetzt, unter anderem in Fabrik- und Lagerhallen, bei Sicherheits- und Überwachungsmaßnahmen, für Erkundungseinsätze und für den Transport von Geräten in Krankenhäusern.

Kollaborative Roboter (Cobots)

Cobots sind Robotersysteme, die auf koordinierte Weise miteinander und/oder mit Menschen zusammenarbeiten können. Die Abgrenzung von anderen Roboterkategorien ist schwierig, denn Cobots können verschiedene Arten von Robotern sein. Alle ortsfesten Roboter können darauf ausgelegt sein, kollaborativ zu arbeiten. Cobots sind aber komplexer, weil ihre Zusammenarbeit hohe Präzision, Sicherheitsprotokolle, räumliches Bewusstsein und Kommunikationssysteme erfordert. Sensoren sind ein wichtiger Teil von Cobots, denn ohne Wahrnehmung und visuelle Bilderkennung lassen sich Kollisionen von Roboterarmen mit anderen Roboterarmen oder menschlichen Arbeitskräften im festgelegten Arbeitsbereich kaum vermeiden. Derartige Roboter sind wichtig für Industry 5.0 und unterstützen die neuesten Entwicklungen bei maschinellem Lernen und KI.

Zwar haben sich viele industrielle Robotersysteme schon heute fest etabliert, doch technologische Fortschritte erweitern ständig die Grenzen der modernen Robotik.

Humanoide Roboter

Mit dem Fortschritt der Robotik werden funktionale humanoide Roboter effizienter und rücken der breiten Einführung immer näher. Ganz wie Menschen führen humanoide Roboter mit Greifern, Manipulatoren und anderen Fortsätzen schwierige Aufgaben aus. Bei humanoiden Robotern kommen viele hochentwickelte Fortbewegungs- und Datenverarbeitungstechnologien zum Einsatz, aber es gibt immer noch ein paar technologische Engpässe.

Neue Entwicklungen bei Sensor- und Hardwaretechnologien

Die aktuellen Entwicklungen bei AMRs und Cobots haben zu neuen Innovationen bei hochentwickelten Sensortechnologien geführt. Diese Roboter benötigen intelligente Wahrnehmungsfunktionen mit leistungsfähigen Sensor-, Bilderkennungs- und Kommunikationstechnologien, um sicher funktionieren zu können. Für Roboter mit mehreren Gelenken und vielen integrierten Sensoren sind komplexe Algorithmen erforderlich, um alle Sensordaten zu verarbeiten, sie zu analysieren und geeignete Aktionen auszuführen. Daher gewinnen CPUs und Grafikprozessoren (GPUs) bei den neuesten Robotern immer mehr an Bedeutung. Außerdem wird die verzögerungsfreie Kommunikation über 5G/6G auch für die Steuerung von Robotern (vor allem, wenn diese sich bewegen oder mit anderen Robotern/Menschen interagieren) immer wichtiger.

Soft Robotics

Soft Robotics ist ein weiterer Bereich, der sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt hat. Bei Soft Robotics bestehen die Roboter nicht aus starren Metallstrukturen, sondern aus empfindlicheren und weicheren Materialien wie Polymeren, Elastomeren und Hydrogelen. Solche weichen Roboter können in Gelenken und Aktuatoren von humanoiden Robotern zum Einsatz kommen, um ohne zusätzliche Motoren ihre Flexibilität und Reichweite zu verbessern. Ihre weichen Materialien können aber auch zum Bau eigenständiger (oft ziemlich kleiner) Roboter dienen, die das Verhalten von Tieren nachahmen.

Integration von künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML)

Die KI/ML-Integration nimmt in allen Bereichen der Robotik zu. Sie trägt zur Entwicklung hochentwickelter Industrieroboter mit fortschrittlichen Wahrnehmungs- und Sensorfunktionen bei. Beispielsweise ermöglicht sie die genauere Interpretation visueller Daten (durch die Kombination von Daten aus mehreren Sensoren und Bildverarbeitungssystemen), um bei Pick-and-Place-Operationen die Form und Größe von Objekten zu erkennen, bei der autonomen Navigation Hindernissen auszuweichen oder menschliche Armgesten besser zu erkennen. Außerdem ermöglicht KI/ML die Integration von menschlicher Wahrnehmung und Intelligenz in verschiedene Industrieroboter, um fundierte Entscheidungen zu treffen und "Was-wäre-wenn"-Szenarien zu analysieren. KI wird auch zur Auswertung von betrieblichen Sensordaten der Roboter verwendet, um ihre prädiktive Wartung zu ermöglichen, Störungen und Ausfallzeiten zu reduzieren und dadurch die Produktivität zu steigern.

Roboter haben sich immer mehr zu einem Eckpfeiler des Fertigungs- und Lagerbetriebs entwickelt. Sie sind zwar nützlich und bieten viele Vorteile, es gibt aber auch Nachteile.

Vorteile der industriellen Robotik

• Höhere Produktivität und Betriebsgeschwindigkeit bei vielen Anwendungen
• Verbesserte Fähigkeit zum Heben von schweren und gefährlichen Nutzlasten (zum Beispiel nuklearen Abfällen), um die Sicherheitsstandards in industriellen Umgebungen zu erhöhen
• Einsatz in gefährlichen Umgebungen, zum Beispiel in risikobehafteten Bauten und Infrastrukturprojekten wie Tunneln, damit keine Menschenleben gefährdet werden
• Verbesserte Entscheidungsfindung und Entfernung unerwünschter Objekte auf Förderbändern in intelligenten Produktionsumgebungen
• Kontinuierliche Kosteneinsparungen durch Steigerung der Produktivität, Steigerung des Durchsatzes und Verringerung der Abfälle

Nachteile der industriellen Robotik

• Hohe Vorlaufkosten für die Beschaffung und Installation der Industrieroboter
• Große Sorgen von Beschäftigten wegen der Sicherheit ihrer Arbeitsplätze, weil die Einführung von Robotern in verschiedenen Branchen zum Verlust von Arbeitsplätzen führen kann
• Höhere Kosten bei Störungen, weil die Komplexität der Roboter sehr hoch ist
• Höhere Kosten für die laufende Wartung, zum Beispiel bei kostspieligen Software- und Hardware-Updates
• Starke Datenschutzbedenken wegen der in die Roboter integrierten Kameras, Mikrofone und Sensoren
• Größere Risiken für Menschen, wenn diese mit Cobots und Assistenzrobotern zusammenarbeiten.

Roboter werden immer komplexer. Sie haben viele Komponenten, die alle auf unterschiedliche Weise funktionieren, aber dennoch zusammenarbeiten müssen. Simulationen und hochentwickelte Modellierungen können den Konstruktionsprozess optimieren und den unnötigen Bau kostspieliger Prototypen vermeiden.

Simulationen können in allen Phasen der Entwicklung von Robotern hilfreich sein. Bei der Konzeptionierung können Konstrukteur*innen mögliche Geometrien, Gelenke, Aktuatoren und Sensoren unter verschiedenen Umgebungsbedingungen ausprobieren. In der Detaillierungsphase hilft die verbesserte Genauigkeit der Kinematik- und Dynamikanalysen, das Schwingungsverhalten und die Robustheit der Konstruktion zu berücksichtigen. Mit multiphysikalischen Simulationen können Techniker auch die Auswirkungen von Temperatur, Feuchtigkeit oder elektromagnetischen Feldern auf Industrieroboter visualisieren. Die Simulation von Industrierobotern ist also sowohl auf System- als auch auf Komponentenebene möglich.

Hier einige der Ansys-Lösungen zur Simulation und Verbesserung der Konstruktion von Industrierobotern:

Ansys Motion, eine Software zur Simulation der Dynamik von mehreren Körpern: Dient zur Ermittlung der Auswirkungen von Gelenkbewegungen auf die Positionen des Endeffektors und der unterschiedlichen Kräfte und Drehmomente an neuralgischen Punkten, die durch verschiedene Ladebedingungen entstehen.

Ansys Maxwell ,ein erweiterter Solver für elektromagnetische Felder: Dient zur Konstruktion von Robotermotoren und Steuersystemen.

Ansys Mechanical, eine Software für strukturelle Finite-Elemente-Analysen, Ansys Sherlock, eine Software zur Vorhersage der Zuverlässigkeit von Elektronik, Ansys SIwave,, eine Software zur Simulation von Leiterplatten (PCBs) und Elektromagnetik-Paketen: Zur multiphysikalischen Untersuchung des physikalischen Verhaltens einzelner Komponenten, ganzer Systeme und der Kräfte auf diese Systeme.

Ansys Twin Builder, eine simulationsbasierte Plattform für digitale Zwillinge: Software für digitale Zwillinge zur Entwicklung von Modellen auf Systemebene.

Ansys LS-DYNA, eine Struktursimulationssoftware für nichtlineare Dynamik. Dient zur Ermittlung der Schäden an sich selbst und der Umgebung nach einer Kollision.

Ansys HFSS, eine elektromagnetische Hochfrequenz-Simulationssoftware: Zur Konstruktion von Antennen und Kommunikationssystemen in hochentwickelten Industrierobotern und zum Modellieren verschiedener elektromagnetischer Sensoren.

Ansys Lumerical, eine Software zur Simulation photonischer Komponenten, Ansys Zemax OpticStudio, eine Software zur Auslegung und Analyse optischer Systeme, Ansys Speos, eine CAD-integrierte Software für optische und Beleuchtungssimulation: Zur Konstruktion optischer Komponenten und optischer Sensoren (zum Beispiel von Bildverarbeitungssystemen), von der Erzeugung der einzelnen Lichtquellen bis hin zur Simulation der Komponenten, des Systems und der Umgebung.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie multiphysikalische Methoden die Entwicklung fortschrittlicher und sicherer Industrieroboter ermöglichen, kontaktieren Sie noch heute unser technisches Team.

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