SCUAI Add On Industrial Robots

STEM Coding Ultimate AI Add On: Industrial Robots

Industrierobotik praxisnah im Unterricht erfahren

Mit diesem Lernset tauchen die Lernenden tief in die Welt der Industrierobotik ein und bereiten sich gezielt auf die Anforderungen der heutigen Arbeitswelt vor. Sie montieren selbstständig zwei wirklichkeitsnahe Sechsachs-Roboter und erwerben dabei grundlegende Kenntnisse in deren Programmierung. Durch diesen praxisorientierten Ansatz wird nicht nur Fachwissen vermittelt, sondern auch wertvolle praktische Kompetenzen aufgebaut, die über reine Theorie hinausgehen.

Altersstufe

Weiterführende Schule

Anzahl Schülerinnen und Schüler

2-4 pro Baukasten

Lernziele

Numerik, Logik, Entwicklung von Lösungsstrategien, Computational Thinking, Beschäftigung mit Grundelementen der Informationsverarbeitung (EVA-Prinzip - Sensoren, Verarbeitung, Aktoren), Programmierung, Informationstechnik

Zeitaufwand

Für den Aufbau des Modells benötigen die Schülerinnen und Schüler ca. 120 Minuten. Für jede Teilaufgabe der Betriebsanleitung sollten 60-90 Minuten geplant werden.

Land

Stufe/Fächer

Bezüge

BW

SEK 1

GYM 7/8 PH-3.2.6 Mechanik: Kinematik, S. 17; GYM 9/10 PH-3.3.5.2 Mechanik/Dynamik (1), S. 24; IMP 8-3.1.1.2 Algorithmen (1), S. 28ff; INFWF 8-3.1.2 Algorithmen (1), S. 15; INFWF 9-3.2.2 Algorithmen (2), S. 21; INFWF 10-3.3.2 Algorithmen (2), S. 28; GYM 8/9/10 NWT-3.2.4.3 Informationsverarbeitung (3), S.27

BY

SEK 1

RS- IT 2.7 Logik und Robotik, S.699; GYM 9/10 LPLUS INF - Modellieren, Implementieren, Anwenden, Softwareprojekte; GYM 10 PH10 (3) Bewegungen und ihre Modellierung in der Physik, S. 3

BE

SEK 1, SEK 2

INF-3.5 Algorithmisches Problemlösen, S. 25; INF-3.9 Physical Computing (Wahlthemenfeld), S. 27; SEK1 9/10 Physik-3.8 Kraft und Beschleunigung, S.42; SEK2 11-13 Informatik-4.4 Sprachen und Automaten, S. 22

BB

SEK 1

INF-3.5 Algorithmisches Problemlösen, S. 25; INF-3.9 Physical Computing (Wahlthemenfeld), S. 27; SEK2 11-13 Informatik-4.4 Sprachen und Automaten, S. 22

HB

SEK 2

GYM OS INF-Algorithmen und Datenstrukturen, S. 6; GYM OS INF-Imperative Programmierung, S. 7; GYM OS INF-Sprachen und Automaten, S. 7

HH

SEK 1

GYM 7/8 INF-M1 Informatik strukturieren und präsentieren, S. 18; GYM 9 INF-M2 Prozesse analysieren und modellieren, S. 19; SEK1 GYM 10 INF-M3 Daten und Prozesse, S. 20

HE

SEK 2

GYM KCGO INF-E1/E2 Einführung in die Informatik, S. 26; GYM KCGO INF-Q1 Algorithmik und objektorientierte Modellierung, S. 26; GYM KCGO INF-Q3 Konzepte und Anwendungen der theoretischen Informatik, S. 26

MV

SEK 1, 2

GYM 8 INF-3 Sensorgesteuerte Anwendungen entwickeln, S.25; GYM 9 INF-3 Problemlösen durch Programmieren, S.32; SEK1 IGS/RegS 9/10 PHYSIK-5.7 Kinematik und Dynamik, S.31; SEK2 GYM 11 PHYSIK-Kerncurriculum BE/BB/MV 4.1 - Kinematik und Dynamik der Kreisbewegung, S. 14

NI

SEK 1, 2

KC-INF LF Algorithmisches Problemlösen; S.19; KC-INF LF Automatisierte Prozesse, S.22; SEK 2 KC-INF LF1 Algorithmen und Datenstrukturen, S.14; SEK 2 KC-INF LF1 Informationen und Daten, S.16; SEK 2 KC-INF LF1 Automaten und Sprachen, S.19; SEK2 PHYSIK-Kerncurriculum 3.1 - Kinematik, Dynamik , S. 14ff.

NW

SEK 1, 2

RS 9/10 WPF TECHNIK 2.3 Inhaltsfeld 7: Kommunikations- und Digitaltechnik S.23; 5/6 KLP INF - Algorithmen, S. 17, 18; 5/6 KLP INF - Automaten und künstliche Intelligenz, S. 18; SEK 2 KLP GOS INF - 2 Algorithmen, S. 21 ff; KLP GOS INF - 3 Formale Sprachen und Automaten, S. 22

RP

SEK 1, 2

IGS/GYM INF-2.2 Algorithmisches Problemlösen, S. 20; SEK1 9/10 Physik-TF 11 Sensoren im Alltag, S. 121; SEK1 5/6 NaWi-Themenfeld 6 Geräte und Maschinen im Alltag, S. 38; SEK2 Physik-3 Themenübersicht, S.17ff.

SL

SEK 1, 2

GYM 9 INF - Algorithmik, S. 3; GYM 9 INF - Imperative Programmierung, S. 3; GYM INF GOS-Strukturiertes Programmieren, S.4ff.

SN

SEK 1, 2

GYM 7 INF WB 3: Computer verwenden, S. 8; SEK1 GYM 7/8 INF-Ziele: Modellieren von Zuständen und Abläufen, S. 6, S.10; GYM 11/12 INF LB 4: Algorithmen und Programme, S. 27;

ST

SEK 1, 2

GS 9/10 Technik-3.4 Kompetenzschwerpunkte - Technische Prozesse steuern, S. 20; GYM 9 INF 3.2 Algorithmen interpretieren und entwickeln, S.15; GYM 11/12 INF 3.4 Kurs 3 Software Engineering und Projektarbeit, S. 23

SH

SEK 1, 2

INF PB1 Modellieren und Strukturieren, S. 12; INF PB2 Implementieren, Programmieren, Realisieren, S. 13;

SEK2 OS FA PHYSIK- Mechanik, S.48

TH

SEK 1

GS 9/10 Technik-2.2.3 Untersuchen und Handhaben von Steuerungen und Reglungen (Modellbau), S. 12; GYM 10 INF - 5 Modellierung und Problemlösen; GYM 10 INF - 2.3 Algorithmen, S. 14 ff.; GYM 10 INF 2.5.1 Technische Informatik, S. 18ff.

Infos zum Produkt

Didaktisches Begleitmaterial

Themen

Aufbau und Funktionsweise eines Industrieroboters, Grundbegriffe der Robotik

Modellbildung und Berechnung des Fahrverhaltens, Navigation über Motorimpulse, Punktsteuerung

Mathematische Beschreibung zur Kinematik und Kinetik von Robotern. Kinematik und Dynamik linearer Bewegungen.

Koordinatensysteme

Sensoren und Aktoren verstehen und nutzen

Programmierung: Programmstrukturen (Schleifen und Bedingungen, Variablen), Wiederverwendung von Programmteilen, Fehlersuche

Teach-In-Programmierung

Roboter Komponenten: Greifzange, Vakuumgreifer
Lernziele

Prozessbezogene Kompetenz: Problemlösen, kreativ sein.

Mathematische und informatische Kompetenz: Numerik, Logik, Entwicklung von Lösungsstrategien, Computational Thinking.

Personale und soziale Kompetenz: gemeinsam im Team Lösungen finden.

Sprachlich-kommunikative Kompetenz: Erarbeitung von Fachbegriffen, logische Beschreibung von Zusammenhängen

Inhaltsbezogene Kompetenz: Beschäftigung mit Grundelementen der Informationsverarbeitung (EVA-Prinzip - Sensoren, Verarbeitung, Aktoren), Programmierung, Informationstechnik
Zeitaufwand

Für den Aufbau des Modells benötigen die Schülerinnen und Schüler ca. 120 Minuten.

Für jede Teilaufgabe der Betriebsanleitung sollten 60-90 Minuten geplant werden.

Einführung ins Thema Industrieroboter

Industrieroboter sind aus der modernen Fertigungsindustrie nicht mehr wegzudenken. Meistens werden Sie in Fabriken eingesetzt, um wiederkehrende Aufgaben schnell und mit hoher Präzision auszuführen.

In dieser Einführung befassen wir uns mit ihrem Aufbau und der grundsätzlichen Funktionsweise. Wir werfen einen Blick in ihre Entstehungsgeschichte und erfahren, warum Industrieroboter heutzutage in vielen Branchen unverzichtbar geworden sind.

Industrieroboter bestehen aus einem Roboterarm, der verschiedene Gelenke aufweist. Eine für uns Menschen einfache Bewegung erfordert bei einem Roboter eine hochkomplexe Programmierung und Steuerung mehrerer Achsen. Grundsätzlich kann die Anzahl und Anordnung der Gelenke je nach Robotermodell variieren. Am weitesten verbreitet sind jedoch Knickarmroboter mit sechs Achsen oder Freiheitsgraden. Die Zahl der Freiheitsgrade gibt an, über wie viele unabhängige Bewegungsmöglichkeiten der Roboterarm verfügt. Bei sechs Freiheitsgraden kann der Roboter einen beliebigen Punkt im Raum mit einer beliebigen Orientierung erreichen. Dabei erfordert das Erreichen des Punktes drei Freiheitsgrade (nämlich die x, y, und z Koordinate) und das Erreichen der beliebigen Orientierung drei weitere Freiheitsgrade (nämlich die Verkippung in x, y und z Richtung). Den Aufbau und die Programmierung eines solchen 6-Achsroboters werden wir auch in diesem Baukasten kennenlernen.

Daneben gibt es für spezielle Anwendungen zahlreiche weitere Bauformen von Industrierobotern, wie zum Beispiel die sehr schnell beweglichen SCARA-Roboter und Delta-Roboter oder Seilroboter für besonders große Arbeitsbereiche.

Abbildung 1: Industrieroboter mit Achsen

Die Gelenke eines Industrieroboters werden in der Regel von leistungsstarken Elektromotoren angetrieben, da Industrieroboter oft schwere Bauteile oder Werkzeuge anheben. Über ein Wegmesssystem wird die aktuelle Position jedes einzelnen Gelenks erfasst und eine spezielle Regelung steuert die Elektromotoren so an, dass der Roboter den gewünschten Zielpunkt mit der gewünschten Geschwindigkeit anfährt. Darüber hinaus sind Industrieroboter mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, so dass sie ihre Umgebung wahrnehmen und ihre Aufgaben sicher und präzise ausführen können. Je nach Anwendung werden dabei Kameras, Tastsensoren, Kraftsensoren oder Sensoren zur Entfernungsmessung eingesetzt.

Am Ende des Roboterarms befindet sich das Werkzeug, das je nach Anwendung variieren kann:

Bewegen von Bauteilen: Mechanische Greifer, Vakuumgreifer
Fügen von Bauteilen: Stanzzange, Schweißzange, Klebepistole
Montage: Schrauber
Vermessen von Bauteilen: Lasermesssystem, Kamera

Abbildung 2: Werkzeuge Industrieroboter

Einige Roboter sind sogar in der Lage, ihr Werkzeug automatisch und selbstständig zu wechseln. Zur Versorgung der Werkzeuge mit Energie stellen Industrieroboter typischerweise elektrische Anschlüsse oder einen Anschluss an das Druckluftsystem bereit. Der Industrieroboter im Baukasten verfügt über einen Vakuumgreifer und kann darüber hinaus auf einen pneumatischen Greifer umgerüstet werden.

Abhängig von der jeweiligen Anwendung können Industrieroboter verschiedene Bewegungen ausführen, von linearen Bewegungen über Drehbewegungen bis hin zu komplexen Bewegungsmustern. Die sogenannte Bahn, d.h. die Position des Werkzeugs im Laufe der Zeit, sowie die Geschwindigkeit werden bei der Programmierung des Roboters festgelegt.

Industrieroboter werden durch vorprogrammierte Anweisungen gesteuert, die als Roboterprogramme bezeichnet werden. Diese Programme werden von Technikern und Ingenieuren entwickelt und enthalten eine Abfolge von Befehlen, die den Roboterarm und andere Komponenten steuern. Die Programmierung kann auf verschiedenen logischen Ebenen erfolgen: In niederen Sprachen wie beispielsweise dem G-Code werden die einzelnen Zielkoordinaten einprogrammiert, die der Roboter nacheinander anfährt. Die Teach-In-Programmierung vereinfacht die Roboterprogrammierung, indem ein Mitarbeiter zunächst den Roboter mithilfe einer Fernbedienung an die gewünschten Positionen verfährt und diese jeweils abspeichert („teachen“). Anschließend kann der Roboter die gelernten Abfolgen an Positionen selbständig wiederholen. Mit moderner Software können Industrieroboter auch in einer virtuellen Welt simuliert und programmiert werden und das Programm erst später auf den Roboter geladen werden. Diese sogenannte Offline-Programmierung bietet den Vorteil, dass der Roboter gleichzeitig eine andere Aufgabe ausführen kann und damit produktiv bleibt. Wir werden in diesem Begleitmaterial die einzelnen Schritte von der Ansteuerung einer einzelnen Achse bis zur Teach-In Programmierung kennenlernen.

Abbildung 3: TeachIn Steuerung

In unterschiedlichsten Ausführungen werden Industrieroboter in vielen Bereichen eingesetzt:

Automobilindustrie: Dank Industrierobotern ist der Rohbau und die Lackierung in der Automobilherstellung nahezu vollständig automatisiert. Sie werden beispielsweise zum Verschweißen von Karosserieteilen, zum Aufbringen von Dichtungen oder zum Lackieren eingesetzt. Dabei erhöht der Einsatz von Robotern die Effizienz, Genauigkeit und Geschwindigkeit der Fertigung und verbessert damit die Produktqualität und Produktionskapazität. Zugleich entlasten Industrieroboter menschliche Arbeitskräfte, indem sie ihnen das Heben schwerer Lasten abnehmen und verhindern, dass Menschen unmittelbar giftigen Dämpfen beim Schweißen ausgesetzt sind.
Elektroindustrie: In der Elektroindustrie werden Industrieroboter zur Fertigung von elektronischen Bauteilen oder dem Bestücken von Platinen eingesetzt. Ihr Einsatz ermöglicht ein schnelles und präzises Handling der winzigen Komponenten, was zu einer erhöhten Produktivität und Qualität führt. Darüber hinaus können Roboter auch bei der automatischen Prüfung und Qualitätssicherung von elektronischen Bauteilen eingesetzt werden.
Lebensmittelindustrie: Industrieroboter werden in der Lebensmittelindustrie zur Verarbeitung und Verpackung von Lebensmitteln eingesetzt. So kann eine sterile und kontaminationsfreie Arbeitsumgebung geschaffen werden, wodurch die Hygiene und damit die Produktqualität der Lebensmittel verbessert wird.
Medizintechnik und Pharmaindustrie: Sie eliminieren das Risiko der mikrobiellen Kontamination und der Strahlenbelastung der Mitarbeiter und rationalisieren die Abläufe in pharmazeutischen und Arzneimittel-Entwicklungsumgebungen.
Logistik und Lagerhaltung: In der Logistik- und Lagerhaltungsbranche können Industrieroboter bei der Kommissionierung, dem Verpacken und dem Transport von Waren eingesetzt werden. Roboter können schwere Lasten heben und bewegen, was die Arbeitsbelastung für Mitarbeiter verringert und das Risiko von Verletzungen reduziert. Darüber hinaus können sie durch automatisierte Prozesse die Effizienz in Lagern steigern und die Lieferzeiten verkürzen.

Fassen wir die Gründe nochmal zusammen, weshalb Industrieroboter heutzutage in so vielen Branchen unverzichtbar geworden sind:

Verbesserte Produktivität: Industrieroboter können wiederkehrende Aufgaben schneller und kontinuierlicher ausführen als Menschen. Sie zeigen keine Ermüdungsentscheidungen und ihr Betrieb ist rund um die Uhr möglich, wodurch die Produktionsgeschwindigkeit und die Gesamtleistung einer Fertigungslinie steigt.
Präzision und Qualität: Industrieroboter sind in der Lage, Aufgaben mit außerordentlicher Präzision auszuführen, was zu einer verbesserten Produktqualität führt. Ihre Bewegungen sind reproduzierbar und genau, was zu geringeren Fehlerraten und Ausschuss führt.
Sicherheit: Der Einsatz von Industrierobotern kann gefährliche oder gesundheitsschädliche Aufgaben von Menschen übernehmen. Dazu zählt beispielsweise das Anheben schwerer Lasten oder der Umgang mit gefährlichen Stoffen. Dadurch werden Mitarbeiter körperlich entlastet, Arbeitsunfälle reduziert und die Sicherheit am Arbeitsplatz verbessert.
Flexibilität: Industrieroboter können an verschiedene Aufgaben und Produktionsanforderungen angepasst werden. Durch die Änderung der Programmierung und den Austausch von Werkzeugen können sie auch neue Aufgaben effizient bewältigen, was eine hohe Flexibilität in der Produktion ermöglicht.
Kostenersparnis: Obwohl die Anschaffungskosten für Industrieroboter hoch sein können, kann die Investition in einen Industrieroboter langfristig zu erheblichen Kostenersparnissen führen. Industrieroboter reduzieren den Bedarf an menschlicher Arbeitskraft und ihre Präzision verringert mögliche Fehlerkosten. Aufgrund dieser Faktoren kann sich der Einsatz eines Industrieroboters in einem Unternehmen bezahlt machen.

Bis Industrieroboter zu dem heutzutage unverzichtbaren Bestandteil einer modernen Fabrik geworden sind, blicken wir auf eine 70-jährige Entwicklungsgeschichte zurück.

Die Geburtsstunde der Industrieroboter liegt in den 1950er Jahren, als George Devol und Joseph Engelberger die weltweit erste Robotik Firma „Unimation“ gründeten und den ersten Industrieroboter namens „Unimate" entwickelten. Unimate wurde 1961 in einer Automobilfabrik in den USA eingesetzt, um Spritzgussteile zu entnehmen und zu vereinzeln. Mit diesem Durchbruch revolutionierte Unimate die Automobilfertigung und eröffnete neue Möglichkeiten für die Automatisierung von Produktionsprozessen.

In den folgenden Jahrzehnten wurden Industrieroboter kontinuierlich weiterentwickelt und weltweit eingesetzt. In den 1970er Jahren kamen fortschrittlichere Steuerungssysteme auf Basis von Mikroprozessoren auf, die bis heute die Grundlage einer modernen Robotersteuerung bilden. Im Laufe der 1980er wurden Industrieroboter flexibler und können seither vielfältige Aufgaben wie Montage, Lackieren und Materialhandhabung übernehmen.

Mit dem technologischen Fortschreiten wurden Industrieroboter immer intelligenter und leistungsfähiger. Erweiterte Programmierungsmöglichkeiten ermöglichen es ihnen, komplexere Aufgaben auszuführen und sich an veränderliche Produktionsanforderungen anzupassen. Die Weiterentwicklung von Industrierobotern wird insbesondere durch den Einsatz fortschrittlicher Sensoren zur Wahrnehmung der Umgebung und künstlicher Intelligenz vorangetrieben.

So befasst sich das Forschungsfeld der Mensch-Roboter-Kollaboration mit der Frage, wie Roboter sicher mit Menschen zusammenarbeiten können. Während Industrieroboter bisher meist in abgesperrten Bereichen arbeiten, soll durch den Einsatz berührungsempfindlicher Sensoren und Kameras der Abstand zu ihren menschlichen Kollegen verringert werden. Die Arbeitsplatzsicherheit hat dabei selbstverständlich höchste Priorität.

Ein weiteres Forschungsfeld befasst sich mit der Frage, wie Industrieroboter selbstständig Bewegung erlernen und unabhängiger von fest einprogrammierten Mustern werden. Trotz ihrer Überlegenheit in puncto Geschwindigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit sind Industrieroboter nämlich bisher auf eine exakte Programmierung des Bewegungsablaufs angewiesen und scheitern demzufolge an vermeintlich alltäglichen Problemen, für die sie kein Programm kennen. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der „Griff in die Kiste“, bei dem ein Roboter mit Greifzange beliebige Gegenstände aus einer Kiste herausgreifen muss.

Wie erkennt der Roboter, wo sich die einzelnen Gegenstände befinden, ohne dass die Positionen vorab fest einprogrammiert werden?
Wie kann der Roboter die Gegenstände sicher greifen, ohne dass er ihn beim Anheben fallen lässt?
Wie stark darf die Greifzange zugedrückt werden, ohne dass der Gegenstand kaputt geht?

Ein Mensch würde diese Aufgaben mit seinen feinfühligen Händen sowie Intuition und Erfahrung lösen. Dieses Prinzip wollen Forscher auf Industrieroboter übertragen: Hierfür untersuchen sie, wie Roboter mithilfe zusätzlicher Sensoren und dem Einsatz von künstlicher Intelligenz ihre Umgebung wahrnehmen und auf wechselnde Anforderungen reagieren können. Damit sollen Industrieroboter in Zukunft noch intelligenter werden und komplexe Aufgaben eigenständig bewältigen.