Industrieroboter: Funktionsweisen, Einsatzgebiete und Sicherheit
25.01.2024
Industrieroboter sind fester Bestandteil der Industrie 4.0 und vielseitig in der Produktion einsetzbar. Allerdings bieten sie aufgrund ihrer Vernetzung im Internet der Dinge eine potenzielle Angriffsfläche für Hacker. Warum das gefährlich ist und wie sich Unternehmen schützen können.
Definition: Industrieroboter
Industrieroboter sind programmierbare Bewegungsautomaten mit mehreren Bewegungsachsen, die im Zuge der Industrie 4.0 immer mehr an Bedeutung gewinnen. Sie sind mit Roboterarmen (Manipulatoren) und Greifern oder Werkzeugen (Effektoren) ausgestattet, mit denen sie teilweise sensorgeführt Fertigungs- und/oder Handhabungsarbeiten wie Schweißen, Trennen oder Sortieren vornehmen.
Da Industrieroboter mit großer Geschwindigkeit und Kraft agieren, kann es für neben ihnen arbeitende Menschen gefährlich werden. Die Maschinen unterliegen daher strengen Sicherheitsanforderungen, die unter anderem in der europäischen DIN-Norm EN ISO 10218-1 festgelegt sind. Durch ihre Vernetzung über das Firmennetzwerk mit dem Internet bieten sie zudem eine Angriffsfläche für Cyberattacken.
Roboter werden immer wichtiger
1954 ließ der Erfinder George Devol den ersten programmierbaren Manipulator patentieren. 1956 gründete er die Robotik-Firma Unimation, die den ersten Industrieroboter Unimate herstellte. Hydraulische Industrieroboter wurden erstmal in den 1960er und 70er Jahren in der Automobilherstellung eingesetzt. 2021 kamen deutschlandweit bereits um die 24.000 Industrieroboter zum Einsatz, Tendenz weiter steigend.
Arten und Einsatzgebiete
Je nach Einsatzgebiet sind Industrieroboter mit verschiedenen Effektoren ausgestattet. Unterschieden werden die Roboter allerdings nach ihrer jeweiligen Kinematik (Bewegung).
Roboter mit paralleler Kinematik:
- Delta-Roboter: Durch sein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Schnelligkeit wird er häufig in der Verpackungsindustrie und bei High-Speed-Arbeiten eingesetzt. Er besitzt drei Manipulatoren, die eine kinematische Kette ergeben und in der Regel an der Decke angebracht sind.
- Hexapod-Roboter: Der Sechsfüßer ist eine besondere Form des Delta-Roboters. Er besitzt dem Namen nach sechs Manipulatoren, deren Gelenken untereinander auf einer Ebene verbunden sind. Hexapoden werden in der Forschung, Simulationstechnik und Medizin eingesetzt.
Roboter mit serieller Kinematik:
- Gelenkarmroboter (Knickarmroboter): Der in der Industrie am häufigsten vorkommende Roboter besitzt durch bis zu sechs Freiheitsgrade eine hohe Flexibilität und kann – je nach Anzahl und Anordnung seiner Arme – fast unbegrenzt jede translatorische und rotatorische Bewegung ausführen.
- SCARA-Roboter: Dieser Säulenroboter besitzt zwei bis vier Drehachsen in vertikaler Richtung und eine Linearachse. Seine hohe Bewegungsdynamik und Positionsgenauigkeit kommen vor allem bei Montage-, Füge- und Handhabungsarbeiten (Pick-and-Place-Anwendungen) zum Einsatz.
- Portalroboter: Diese sind auf lineare Bewegungen beschränkt, können aber durch Dreh- oder Schwenkachsen im Greifer auch rotatorische Bewegungen ausführen. Portalroboter bewegen sich meist in einem Linearportal auf einer Bewegungsebene. Sie ermöglichen die Abdeckung großer Arbeitsräume und können hohe Traglasten bewältigen.
Eine weitere Kategorie stellen kollaborierende Roboter dar, die ohne Abgrenzung und Sicherheitsmaßnahmen mit dem Menschen zusammenarbeiten können.
Teach-in: Einarbeitung ohne Informatik
Ein großer Vorteil bei Industrierobotern ist die Möglichkeit des sogenannten Teach-ins. Dabei lernt ein Mitarbeiter den Roboter an, ohne dessen System programmieren zu müssen. Die Programmierung findet stattdessen manuell über eine Steuerkonsole statt.
Die Koordinaten des Bewegungsablaufes werden in der Steuerung des Roboters gespeichert. Der Vorteil ist offenkundig: Hierfür ist kein informationstechnisches Wissen vonnöten.
Das Teachen wird in Einzelschritten so oft wiederholt, bis der gewünschte Arbeitszyklus abgeschlossen ist und der Roboter die Bewegungen autonom ausführt.
Vor- und Nachteile von Robotern in der Industrie
Industrieroboter sind aufgrund ihrer Vorteile nicht mehr aus der Smart Factory wegzudenken. Zu ihren großen Vorteilen gehören:
- Schnelligkeit: Die schnellsten Industrieroboter bewegen ihre Arme mit bis zu sechs Metern pro Sekunde (m/s)
- Bewältigung hoher Traglasten: Industrieroboter können zwischen wenigen Gramm bis hin zu mehreren Tonnen Gewicht heben.
- Präzision: Industrieroboter führen selbst feinste Schweiß- oder Sortierarbeiten souverän, exakt und wiederholgenau aus.
- Effizienz: Industrieroboter können rund um die Uhr arbeiten und dabei ein enormes Arbeitspensum bewältigen.
Herausforderungen
Industrieroboter stellen mit dem Internet der Dinge (IoT) verbunden allerdings auch IoT-Geräte dar, die eine Angriffsfläche für Hacker bieten. Sollten Roboter manipuliert werden, sind jedoch nicht nur Menschen in unmittelbarer Umgebung in Gefahr, weiß Florian Bogenschütz, Gründer und CEO des Telefónica Open Innovation Hub Wayra:
„Auch über Roboter können Angreifer Daten und geistiges Eigentum abfischen. Manipulieren sie zudem die Statusinformationen eines Roboters, dann täuscht er dem Bedienpersonal vor, dass er die Aufgaben wie vorgegeben ausübt, selbst, wenn er dies gar nicht tut.“
Nehmen Industrieroboter unbemerkt nicht die Arbeiten vor, für die sie programmiert sind, kann es für Unternehmen teuer werden. Etwa, wenn ein Roboter Schweißnähte minimal anders setzt. In der Automobilindustrie beziffern Hersteller den Stillstand eines Roboters etwa auf 15.000 Euro pro Minute. Steuerung und Kalibrierung der Roboter bilden ungeschützt also eine Schwachstelle.
Sicherheitssoftware für Industrieroboter
Cybersicherheit für Industrieroboter sollte für Unternehmen einen großen Stellenwert einnehmen. Das gilt auch für kleine und mittelständische Firmen, denn ihre Daten sind genauso wertvoll wie die großer Unternehmen. Im Zuge eines Angriffs kann es außerdem nicht nur zu Produktionsausfällen und immensen finanziellen Schäden kommen, sondern auch zu einem Verlust der Reputation.
Einem solchen Szenario können Unternehmen vorbeugen, indem sie dem Roboter zum einen zeigen, was genau er zu tun hat. Zum anderen kann er mittels einer Sicherheitssoftware daran gehindert werden, Bewegungen auszuführen, die er nie gelernt hat.
Eine solche Sicherheitssoftware für Industrieroboter wird etwa vom spanischen Start-up Alias Robotics zusammen mit dem Wayra TechLab entwickelt. Das Unternehmen ist Vorreiter im Bereich Cybersecurity für Roboter. Mit dem entwickelten Robot Immune System (RIS) zeigt Alias Robotics auf, wie Roboter geschützt vor Angriffen agieren können.
Wie das neu entwickelte RIS funktioniert, erklärt Florian Bogenschütz von Wayra:
„Nach der Installation des Systems auf dem Roboter führt dieser über mehrere Stunden hinweg die Aktionen aus, die er später übernimmt. RIS weiß dann, dass der Roboter nur diese Aufgaben erledigt und nichts anderes. Versucht er sich aufgrund einer Cyberattacke oder auch einer internen Manipulation anders zu verhalten, dann verhindert RIS das und der Roboter macht weiter, wie vorgesehen. Zudem alarmiert er per E-Mail den für ihn im Unternehmen zuständigen Supervisor.”
Industrieroboter im Überblick
Industrieroboter…
- sind programmierbare Bewegungsautomaten mit mehreren Bewegungsachsen.
- besitzen einen oder mehrere Manipulatoren (Roboterarme oder -beine) sowie Effektoren (Werkzeuge, Greifer) mit denen sie Handhabungs- oder Fertigungsarbeiten ausführen können.
- unterliegen aufgrund ihrer Schnelligkeit und Flexibilität hohen Sicherheitsvorschriften bei der Zusammenarbeit mit Menschen.
- unterstützen durch ihren flexiblen Einsatz, ihre Schnelligkeit und Zuverlässigkeit Industrieunternehmen, kommen aber auch in der Medizintechnik zum Einsatz.
- sind meist mit dem Internet bzw. Internet der Dinge (IoT) verbunden und können somit zum Ziel von Hackerangriffen werden.
- sollten durch eine spezielle Schutzsoftware vor Angriffen geschützt werden.
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Häufig gestellte Fragen
Dies lässt sich nicht pauschalisiert beantworten. Zum einen kommt es auf den Typ des Roboters und zum anderen auf sein Einsatzgebiet an. Zudem sind nicht nur die Hardware, sondern auch Ausstattung, Gebühren für Software, Mitarbeiter-Schulungen, die Erst- und Wiedereinrichtung sowie Service- und Wartungskosten einzukalkulieren. So können die Anschaffungs- und weitere Kosten eines Roboters im Laufe seines Lebenszyklus insgesamt mehrere hunderttausend Euro betragen.
Ein Industrieroboter ist ein programmierbarer Bewegungsautomat, dessen Manipulatoren (Roboterarme) sich je nach Roboterart flexibel auf mehrere Bewegungsachsen bewegen können. Industrieroboter werden im Zuge der Industrie 4.0 vor allem in der Produktion eingesetzt, wo sie sich wiederholende Produktionsaufgaben ausführen.
Roboterarme (Manipulatoren) können mit verschiedenen Effektoren, also Werkzeugen oder Greifern ausgestattet werden. Je nach Ausstattung können Industrieroboter so unter anderem Handhabungs-, Schweiß- oder Trennarbeiten durchführen. Sie sind in der Lage, wenige Gramm bis hin zu mehreren Tonnen Gewicht zu heben und bewegen diese dabei mit einer Geschwindigkeit von bis zu sechs Metern pro Sekunde (m/s).
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