Deutsches Robotik-Cluster in Sachsen

Neues aus dem Tal der Roboter

Zuletzt hat ROBOTIK UND PRODUKTION in der Ausgabe 4/2020 einen Blick hinter die Kulissen des sächsischen Robotik-Clusters Robot Valley Saxony geworfen. Rund ein Jahr später gibt es neue spannende Robotikprojekte und -anwendungen. Und auch die Forschung steht nicht still.

Sachsen bietet mit seiner Branchen- und Innovationsvielfalt beste Voraussetzungen, als Impulsgeber für die deutsche Robotikszene zu agieren. „Gut 300 Unternehmen und Institute mit 35.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern beschäftigen sich im weitesten Sinne mit Robotikprojekten. Diese Akteure erwirtschaften in Sachsen knapp 6Mrd.€ jährlich. Dabei sind sächsische Unternehmen und Institute vor allem an der Schnittstelle zwischen Roboterherstellern und Anwendern aktiv, wie z.B. Wandelbots. Viele liefern individuelle, maßgeschneiderte Lösungen für verschiedene Branchen und zunehmend auch für den Mittelstand“, so Thomas Schulz, Geschäftsführer des Robot Valley Saxony, dem sächsischen Robotik-Cluster.

Als Beispiel der gemeinsamen Forschung und Entwicklung von Wandelbots, der TU Dresden und dem Exzellenzcluster CeTI diente auf dem Robotikevent Kollege Roboter ein Demonstrator mit UR-Roboter, der Teiglinge für das Bäckerhandwerk vorbereitet. (Bild: TU Dresden CeTI)

Beginnen wir unsere Reise durch das Robot Valley nun am Kompetenzzentrum Robotik im Handwerk. Die Handwerkskammer Dresden betreibt ein eigenes Robotiktestfeld mit verschiedenen Demonstratoren zu Anwendungen, wie Materialtransport, Handling, automatisierte Be- und Verarbeitung von Werkstücken und Werkstoffen sowie Arbeitsunterstützung mittels Exoskelett. Dort ist z.B. ein sechsachsiger BA006N-Roboter von Kawasaki mit einer Schweißquelle zum Lichtbogenschweißen von Kemppi ausgestattet. Mit einer maximalen Reichweite von fast 1,5m kann er Arbeitsaufträge mit einer Genauigkeit von 0,06mm ausführen. Das Exoskelett Cray X von German Bionic kann den unteren Rücken beim Heben von schweren Gegenständen entlasten, indem es Bewegungen nachahmt und verstärkt. Es bietet eine Lastunterstützung von maximal 25kg und wiegt selbst 8kg. Ein autonom fahrender Transportroboter von der Firma FlexQube folgt mittels Kamerasystem einer auf dem Fußboden markierten Bahn. Mithilfe von RFID-Tags können Halte- und Wendepunkte definiert werden. Die Befehlseingabe erfolgt mittels App und lässt sich durch vorstrukturierte Elemente einfach umsetzen. Das System kann bis zu 1t Last bewegen und durch verschiedene Aufbauten ergänzt werden.

5G und Robotik

Das Exzellenzcluster CeTI (Centre for Tactile Internet with Human-in-the-Loop) forscht an der Übertragung von aktiven und passiven Berührungssignalen, um in virtueller oder realer Umgebung ohne Zeitverzögerung Dinge zu erspüren, z.B. durch intelligente Kleidung. In die interdisziplinäre Forschung aus Elektrotechnik, Informatik, Psychologie, Neurowissenschaften und Medizin sind über 100 Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen aus 19 Nationen involviert. Zusammen mit dem Dresdner Startup Wandelbots und dem 5G Campus-Projektteam der TU Dresden verfolgt das Exzellenzcluster ein gemeinsames Ziel: die Demokratisierung von Fähigkeiten und Fachwissen – ganz konkret in diesem Fall die Programmierung und der Einsatz von Robotern in Handwerksbetrieben und kleinen und mittelständigen Unternehmen.

Bei dem Projekt um den Roboter Spot geht es in erster Linie um die Virtualisierung von Robotersteuerungen, die Auswertung von 3D-Sensordaten sowie um die Ressourcenverschiebung in die Cloud. (Bild: TeDo Verlag GmbH)

Bislang gestaltet sich der Einsatz von Robotern in KMUs durch die schwierige Programmierung und Ansteuerung umständlich. Wandelbots will dies durch seine intuitive No-Code-Lösung Tracepen ändern. Dennoch ist weiterhin viel teure und spezielle Rechenhardware nötig, um Roboter anzusteuern. Durch 5G kann die Robotersteuerung aus der Edge-Cloud erfolgen und Lernprogramme zwischen Robotern übertragen werden. Durch die schnellere Kommunikation der Maschinen untereinander kann die Produktion in Echtzeit angepasst werden. Auch die Überwachung und Änderung von Maschinenaufträgen in der Werkstatt kann der Handwerker bequem beim Kunden vornehmen, ohne erst in seinen Betrieb fahren zu müssen.
Als anschauliches Beispiel der gemeinsamen Forschung und Entwicklung von Wandelbots, der TU Dresden und dem Exzellenzcluster CeTI diente auf dem Robotikevent Kollege Roboter von Mi-connect und der Handwerkskammer Dresden ein Demonstrator mit UR-Roboter, der Teiglinge für das Bäckerhandwerk vorbereitet. Aus der Cloud heraus mittels 5G angesteuert und mit Hilfe des Tracepens angelernt, kann der Roboter die repetitive Aufgabe des Auflegens der Teiglinge auf ein Backblech fehlerfrei und schnell ausüben. Weitere Demonstratoren des CeTI, die auf dem Dresden Robotics Festival, das vom 16. bis zum 22. September stattfand, zu sehen waren, sind die Gestenerkennung ‚Rock Paper Scissors‘, ein Surf-Demontrator, der Boston-Dynamics-Roboterhund Spot sowie eine Robotikanwendung für die zukünftige Krebschirurgie aus dem Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen Dresden (NCT). Bei der Gestenerkennung messen in einen Datenhandschuh eingestrickte Sensoren Dehnungen des Fingers während der Bewegung. Beim Surf-Demonstrator kann ein Surfer mittels Ganzkörper-Tracking direkt auf dem Brett durch Sensoren und Aktuatoren Lernerfolge erzielen. Bei dem Projekt um den Roboter Spot geht es in erster Linie um die Virtualisierung von Robotersteuerungen, die Auswertung von 3D-Sensordaten, erzeugt mit einer optischen und einer Tiefenkamera in der Cloud, sowie um die Ressourcenverschiebung in die Cloud, um weniger Energie zu verbrauchen und eine längere Laufzeit des Roboters zu erreichen.

Roboter in der Halbleiterfabrik

Das Dresdener Unternehmen Fabmatics will mit seinen Automatisierungslösungen Halbleiterfabriken dabei helfen, effizienter und sicherer zu produzieren. Die mobilen Fabmatics-Roboter der Hero-Fab-Reihe transportieren empfindliche Wafer im Reinraum und beladen Produktionsmaschinen vollautomatisch. Das Modell Hero Fab 200 ist für Anwendungen in 200mm-Halbleiterfabriken geeignet und dementsprechend das Modell Fab 300 für 300mm-Fabriken. Der Hauptunterschied liegt hier in der Handhabung der Traglasten. Daher arbeitet das Unternehmen je nach Anwendungsfeld mit unterschiedlichen Roboterarmen, die aber alle der Anforderung ‚reinraumgerecht bis zur Klasse ISO3‘ entsprechen. So kommen hier die TX2-Serie von Stäubli sowie der LR Mate 200iD/7LC von Fanuc zum Einsatz. Die Traglast der Roboteranwendung reicht dabei je nach Ausstattung von 5 bis 15kg, die Reichweite variiert von 911 bis 1.200mm. Die mobile Plattform, auf der die Roboter aufsetzen, ist eine Eigenentwicklung von Fabmatics.

Die mobilen Fabmatics-Roboter der Hero-Fab-Reihe transportieren empfindliche Wafer im Reinraum und beladen Produktionsmaschinen vollautomatisch. (Bild: Fabmatics GmbH)

Der ebenfalls mobile Roboter Scout wurde für sehr spezielle Transport- und Handhabungsaufgaben konzipiert. Die Version Scout Triax z.B. ist vor allem für den Transport von Belichtungsmasken gedacht. Die Beladung der großen Belichtungsmaschinen mit diesen Masken ist für den Menschen kein leichtes Unterfangen, da sich der Beladeplatz für diese Maschinen auf ca. 1,60m Höhe befindet. In vollautomatisierten Fabriken erfolgt die Beladung durch Transportsysteme an der Decke, aber gerade in älteren 200mm-Fabriken sind solche Systeme nicht vorhanden und aufgrund einer geringen Deckenhöhe auch nicht nachrüstbar. Um dennoch die Beladung automatisiert ablaufen zu lassen, bedarf es spezieller Lösungen. Alle Scout-Varianten können Hindernissen mittels 3D-Kameratechnik selbstständig ausweichen.

Der ebenfalls mobile Roboter Scout wurde für sehr spezielle Transport- und Handhabungsaufgaben konzipiert. (Bild: Fabmatics GmbH)

Der CubeStocker von Fabmatics ist ein bodengestütztes vollautomatisches Lagersystem für offene 200mm-Wafer-Carrier. Die automatische Ein- und Ausgabe für dieses System erfolgt über ein Deckentransportsystem. Innerhalb des CubeStockers wird eine eigene ISO3-Reinraumatmosphäre geschaffen, um die Wafer vor dem nächsten Bearbeitungsschritt sauber zwischenzulagern und dem Produktionsprozess somit Puffer einzuräumen, ohne dass durch eine Zwischenlagerung die Qualität der Ausbeute leidet. Durch die eigene Versorgung mit sauberer Luft kann der CubeStocker auch im Grauraum (ISO6) platziert werden, um die wertvolle Reinraumfläche für wichtige Produktionsmaschinen zu sparen. Die Anwendung ist besonders für Halbleiterfabriken geeignet, die keine Lagermöglichkeit unter der Decke haben. Er bietet in seiner kompakten Form Platz für bis zu 193 Waferkassetten. Das Roboterportal im Inneren des CubeStockers besteht aus zwei Vertikalachsen von Rose+Krieger sowie einem Sechsachsroboter von Stäubli, Modell TX2 90 XL. Das Teaching der einzelnen Lagerplätze erfolgt automatisch, sodass die Inbetriebnahme bzw. Instandsetzung so kurz wie möglich gehalten werden kann und das System der Produktion schnell zur Verfügung steht.

Der CubeStocker von Fabmatics ist ein bodengestütztes vollautomatisches Lagersystem für offene 200mm-Wafer-Carrier. (Bild: Fabmatics GmbH)

Automatisierte Helfer im Katastrophenfall

Ziel des Sniffbot-Projekts der TU Dresden ist es, Konzepte für gasschnüffelnde Roboter zu entwickeln. Bei den eingesetzten Robotern handelt es sich um semi-autonome und ferngesteuerte mobile Roboter, die giftige Gase detektieren können und die es dem von fern arbeitenden Bediener erlauben, in die Umgebung des Roboters einzutauchen und die gefährlichen Gasquellen unschädlich zu machen, ohne sich selbst in Gefahr zu begeben. Dazu sollen Drohnen und Fahrroboter mit modernen Bio- und Mikrosensoren ausgestattet werden, um sich in gefährlichen Regionen bewegen und entsprechende Arbeiten ausführen zu können. Für die notwendige Kommunikation bilden die eingesetzten Roboter und Drohnen ein dynamisches Mesh-Netzwerk, um die bidirektionale Weitergabe von Befehlen und Daten zu ermöglichen.

Für das Sniffbot-Projekt hat das Team von Prof. Gianaurelio Cuniberti, Leiter der Abteilung Nanobiomaterialien des Max-Bergmann-Zentrums für Biomaterialien Dresden, eine Gasdetektionsplattform entwickelt, die auf funktionalisierten Kohlenstoff-Nanoröhren basiert. Die Sensoren sind in der Lage, niedrige Konzentrationen von toxischen Gasen wie NH3 und H2S bei Raumtemperatur zu erkennen. Durch das Vorhandensein mehrerer Sensoren in einem einzigen Chip verfügt die Plattform über eine Intelligenz zur Selbstvalidierung. Der mit den Sensoren ausgestattete mobile Roboter misst ununterbrochen die Konzentration der giftigen Gase in der Luft und kann sich ausgehend von der höher werdenden Konzentration autonom auf das Gasleck zu bewegen. Gleichzeitig erfasst er mit seiner integrierten Kamera die Umgebung. Über eine VR-Brille kann der sich in Sicherheit befindende Bediener die Lokalisation des Lecks nachvollziehen. Um den Weg zum Leck zu bahnen wird der Sniffbot durch die Warthog-Plattform ergänzt. Dabei handelt es sich um zwei UR-Roboterarme auf einer robusten mobilen Plattform, ausgestattet mit Kameras und Greifern, um eventuelle Gegenstände aus dem Weg zu räumen. Auch hier ist der Mensch direkt mit dem Roboter verbunden, sieht mittels VR-Brille durch seine ,Augen‘ und steuert die Greifer mittels Datenhandschuh. Für die Platzierung der nötigen Kommunikationsknotenpunkte im Katastrophengebiet sorgen ferngesteuerte Drohnen.

Bei der Warthog-Plattform handelt es sich um zwei UR-Roboterarme auf einer robusten mobilen Plattform, ausgestattet mit Kameras und Greifern, um eventuelle Gegenstände aus dem Weg zu räumen. (Bild: TU Dresden)

Dresden Robotics Festival

Das Dresden Robotics Festival will die Robotikszene aus Wissenschaft, Wirtschaft und Startups vereinen. Die erste Ausgabe des Festivals hatte insgesamt rund 60 Referenten und 300 Aussteller, darunter Fanuc, Siemens, Stäubli und Yaskawa sowie Startups und Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen. „Mit dem ersten internationalen Dresden Robotics Festival wollen wir einen Blick in die Zukunft der industriellen Robotik werfen. Diese ist smart und schafft schon heute neue Wertschöpfungsketten mit neuen Arbeitsplätzen. Diese Zukunft, die unser Leben und Arbeiten mithilfe einer digitalisierten und kollaborativen Robotik einfacher und lebenswerter macht, wollen wir von Sachsen aus entscheidend mitgestalten.“ so Thomas Schulz, Geschäftsführer des Robot Valley Saxony zur Zielsetzung des Festivals.

Hybride Gesellschaft

Roboter, die feinfühliger greifen, stabiler laufen und sicherer mit Menschen interagieren als bisherige Modelle, sind ein Forschungsfeld der Wissenschaftler an der Professur Robotik und Mensch-Technik-Interaktion der TU Chemnitz. Die Wissenschaftler arbeiten daran, dass solche Roboter in Zukunft vielfältig angewendet werden können, z.B. in der Industrie, in Kliniken und Pflegeeinrichtungen, beim Einkaufen oder bei der Paketzustellung. Dafür entwickeln sie neue mechatronische Systeme und wenden moderne Methoden aus der KI-Forschung an, um einen für den Menschen intuitiven und effizienten Umgang mit technischen Systemen zu erreichen.

Roboter, die feinfühliger greifen, stabiler laufen und sicherer mit Menschen interagieren als bisherige Modelle, sind ein Forschungsfeld der Wissenschaftler an der Professur Robotik und Mensch-Technik-Interaktion der TU Chemnitz. (Bild: TU Chemnitz)

Im Sonderforschungsbereich Hybrid Societies untersuchen Wissenschaftler aller Fakultäten der TU Chemnitz, wie spontane Begegnungen zwischen Menschen und Robotern, Drohnen oder hochautomatisierten Fahrzeugen in öffentlichen Räumen reibungslos gestaltet werden können. Um die bisher ungelösten Herausforderungen für ein koordiniertes Miteinander von Menschen und zunehmend eigenständig handelnden Maschinen in öffentlichen Räumen zu bewältigen, ist Interdisziplinarität gefragt. So bringen in dem Forschungsverbund Psychologen und Ingenieure, Mathematiker und Linguisten, Informatiker und Kommunikationswissenschaftler ihre Expertise ein, um die Interaktion hybrider Gesellschaften auf der Straße, im Park oder in öffentlichen Gebäuden nach menschlichen Bedürfnissen und Fertigkeiten auszurichten und die dazu nötigen technischen Entwicklungen voranzubringen, z.B. wurde ein nachgiebiges Robotergelenk für Laufroboter entwickelt.

Schulungs- und Anwendungszentrum

Zum Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau (ICM) gehört ein seit November 2019 eröffnetes Schulungs- und Anwendungszentrum mit der Kurzbezeichnung SchAz. Entstanden ist das Zentrum aus einem vom Bund geförderten Projekt, in dem neue Konzepte zur Umsetzung kollaborativer Montagesysteme untersucht wurden. Das Informieren, Sensibilisieren und Schulen sind dabei genauso Aufgaben im SchAz wie das Erstellen von Machbarkeitsstudien, das Realisieren von Forschungs- und Entwicklungsaufgaben bis hin zum Umsetzen in der wirtschaftlichen Praxis. Dafür haben die Mitarbeiter verschiedene Szenarien mit aktueller Technik abgebildet. Anhand konkreter Arbeitsaufgaben werden Automationslösungen für kleine Serien bis Losgröße 1 erprobt. Es gibt Applikationen für mobile Robotik sowie für die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter. Gleichzeitig werden mit den Anwendungsfällen auch psychologische Hürden übersprungen. „Gerade kleinere Unternehmen haben oft Scheu, sich mit technologischen Herausforderungen an Forschungseinrichtungen zu wenden. Sie befürchten bei öffentlich geförderten Forschungs- und Entwicklungsvorhaben einen hohen bürokratischen Aufwand und generell einen Theorie-Dschungel, der erst durchschritten werden muss. Dem ist aber nicht so. Wir finden mit unseren anwendungsorientierten Ansätzen schnell eine gemeinsame Sprache und haben uns im Bereich Automation auf Lösungen für KMU spezialisiert“, sagt Andreas Schneider, Geschäftsführer der ICM GmbH, mit deren Unterstützung die Forschungsergebnisse des Instituts in die Praxis überführt werden.

Das Unternehmen Bader Glastechnologie montiert Glasscheiben verschiedener Größen zu Modulen für die unterschiedlichsten Bedarfe. Für das Einpassen und Verkleben in Blechprofilen wurde jetzt eine flexible Fertigungszelle implementiert. (Bild: Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau (ICM))

80 Roboter setzen E-Fahrzeuge zusammen

Beim Automobilzulieferer Meleghy Automotive in Reinsdorf fügen 80 Roboter Komponenten für E-Fahrzeuge zusammen, ein Ergebnis der Kooperation mit AKE Systemtechnik. Sie schwingen ihre Arme, drehen sich um die eigene Achse, agieren über Kopf – alles in exakt aufeinander abgestimmten Bewegungen und Positionen. Dabei fügen sie rund 20 Einzelteile so zusammen, dass am Ende ein komplettes Produkt entsteht. 20 Roboter montieren im taktgenauen Zusammenspiel in kurzer Zeit einen Längsträger. Vier dieser Komponenten bilden das Gerüst für eine Bodengruppe, die wiederum der Batterie in jedem der neuen vollelektrischen ID-Fahrzeuge Halt gibt, die im Volkswagen-Werk in Zwickau gefertigt werden. Der Weg, den die Längsträger bis zu ihrem Verbauort zurücklegen müssen, ist nicht lang. Rund 15km liegen zwischen beiden Standorten. Die Lösung entwickelt und zum Laufen gebracht haben die Automationsexperten von AKE Systemtechnik in enger Zusammenarbeit mit den Engineering-Mitarbeitern von Meleghy Automotive. Die Partnerschaft zwischen den beiden mittelständischen, familiengeführten Unternehmen gibt es schon fast ein Jahrzehnt. Unter anderem hat AKE eine ähnliche Anlagentechnik wie in Reinsdorf bereits Mitte 2019 im Meleghy-Automotive-Werk in Gera in Betrieb genommen. Auch dort werden u.a. Längsträger für die VW-Elektro-Pkw ID.3 auf Basis des modularen Elektrobaukastens produziert. (fiz)

Beim Automobilzulieferer Meleghy Automotive in Reinsdorf fügen 80 Roboter Komponenten für E-Fahrzeuge zusammen, ein Ergebnis der Kooperation mit AKE Systemtechnik. (Bild: Meleghy Automotive Bernsbach GmbH)