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Allgemein

Der Robot-Schwarm

Elektronische Heinzelmännchen werden die Industrie-Arbeit abermals revolutionieren. Nur faustgroß, aber blitzschnell wieseln die Maschinen über den Montagetisch: Mit derlei Innovationen will ein US-Robotikforscher die Montagehallen stürmen. Die Fabrik mutiert zum kurzlebigen Saisonbetrieb.

„chschschppp – schschschschppp – schschschppp …“ – das Ding, etwa so groß wie die Hülle einer Doppel-CD, witscht über den Stahltisch wie der sprichwörtliche geölte Blitz. Untermalt wird jede der abrupten Bewegungen von einem halb zischenden, halb rollenden Geräusch.

Doch hier rollt nichts. Der „Courier Robot“ in einem Labor der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, Pennsylvania, hat keine Räder. Er huscht per Linearmotor, von Magnetkräften gezogen, über die Tischplatte und schwebt dabei auf einem hauchdünnen Luftkissen. Über eine flexible Nabelschnur wird der Flitzer mit Druckluft, Strom und Daten versorgt.

Und er bekommt Gesellschaft. Kurier-Roboter dieses Typs werden – wenn es nach Projektleiter Dr. Ralph L. Hollis geht – zusammen mit weiteren beweglichen und ortsfesten Robotern ein kooperierendes Präzisions-Montageteam bilden. „Agile Assembly Architecture“ (AAA) heißt das Forschungsvorhaben, das mit einem Etat von fünf Millionen Mark ausgestattet ist – Hauptsponsor ist die National Science Foundation der USA. Das Ziel der elfköpfigen Arbeitsgruppe: eine neue Art von Industrierobotern und industrieller Montage.

Hier am „Robotics Institute“ der Universität ist das Ungewöhnliche der Normalfall. Mit ihren autonom agierenden Maschinen hat die Einrichtung sich weltweites Renommee erworben. Der hier gebaute „Dante II“ ging 1994 durch die Schlagzeilen – ein Roboter, der auf Spinnenbeinen 180 Meter tief in den Schlund des Vulkans Mount Spurr in Alaska hinabstakste.

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Das AAA-Projekt könnte allerdings die Welt der Fabrik – speziell die automatisierte Montage von Industriegütern – im nahen 21. Jahrhundert noch stärker erschüttern als ein Vulkanausbruch. Die neue Robot-Fabrik verspricht nämlich nicht nur, im Nu auf- und abbaubar sowie unerreicht schnell und präzise in der Fertigung zu sein. Sie könnte auch die traditionelle Vertrautheit des Werkers und Ingenieurs mit „seiner“ Fabrik zunichte machen.

Noch stehen Hollis und sein Team am Anfang. Der schnauzbärtige Wissenschaftler ist kein unbeschriebenes Blatt: 16 Jahre lang arbeitete er am Thomas J. Watson-Forschungszentrum der IBM in Yorktown Heights, davon zehn Jahre als Leiter des Bereichs „Advanced Robotics“ – der Avantgarde seiner Zunft. Als er 1993 an die Carnegie Mellon University kam, brachte er zweierlei mit: die Überzeugung, daß die Ära des heute weltweit verbreiteten SCARA-Industrieroboters ihren Zenit überschritten hat – und die Idee für die nächste Generation.

SCARA ist die Abkürzung für Selective Compliance Assembly Robot Arm. In den siebziger Jahren hatte der Erfinder Prof. Hiroshi Makino eine reduzierte Form des menschlichen Arms in Maschinengestalt übertragen: ein Schulter-, ein Ellbogen- und ein Handgelenk, am Ende ein Greifer. Die Industrieroboter, die heute zwischen Detroit und Sindelfingen ihr Schneide-, Schweiß- oder Bestükkungswerk tun, entsprechen mehrheitlich diesem Typ.

Der programmierbare mechanische Arm kann in seinen Gelenken drei separate Rotationsbewegungen ausführen, dazu eine vertikale Auf-Ab-Bewegung im Greifer. Zusammen sind das vier „Freiheitsgrade“ oder „Achsen“, wie die Robot-Entwickler sagen. Ein Förderband schleust die halbfertigen Objekte, beispielsweise Autos oder Computerplatinen, unter den hintereinander aufgereihten Industrierobotern durch.

„Die automatisierten Fertigungslinien der Vergangenheit“, sagt Hollis, „haben ihre Planung stets an diesen Typ von Robot-Arm angepaßt. Aber das wird heute immer schwieriger, weil die Produkte kleiner und kleiner werden, was immer höhere Genauigkeit der Roboterbewegung erfordert.“ Als typisches Produktbeispiel nennt er Festplatten-Laufwerke für kleine Computer.

Wie kann das auf die Dauer gutgehen, fragt der Robot-Experte, wenn ein rund 100 Kilogramm schwerer SCARA-Arm zur Seite ausschwingen, aus dem Teilemagazin ein winziges Zahnrad holen, über das Montageobjekt zurückschwingen und das Zahnrad auf einen Millimeterbruchteil genau ins Lager absenken soll?

„Im Durchschnitt bringen SCARAs heute 50 bis 100 Mikrometer Wiederholgenauigkeit – das reicht nicht für Mikromontage-Aufgaben“, urteilt Hollis. „Außerdem leiden die Firmen unter immer schnelleren Marktzyklen. Bei Festplatten-Laufwerken sind es typischerweise etwa sechs Monate.

Aber für den Aufbau einer Fertigung mit Förderbändern und SCARA-Robotern muß man vier bis fünf Monate rechnen – die von der Lebensdauer der Produkte am Markt abgehen.“ Die bedächtige, zurückhaltende Art des Ralph L. Hollis paßt schlecht zu der fast unverfrorenen Kühnheit seiner Projektziele. Denn die genannten vier bis fünf Monate Aufbauzeit für eine Präzisions-Montagelinie will er auf „weniger als eine Woche“ abkürzen. Und das bei einer Präzision „bis in die Nähe von einem Mikrometer“ – ein tausendstel Millimeter also anstatt des heute bestenfalls erreichbaren zwanzigstel Millimeters.

Um die Kühnheit auf die Spitze zu treiben, will der Forscher auch den Platzbedarf drastisch verringern: „Fertigungslinien für Elektronik und Mikromechanik müssen wegen ihrer Empfindlichkeit gegen Schmutz üblicherweise in Reinräumen stattfinden. Ein Quadratmeter Reinraum kostet eine Million Dollar. Wir wollen um den Faktor zehn kleiner werden als heutige Montagelinien – also etwa bis zum Format einer großen Tischplatte.“

Kurz gefaßt, sieht das AAA-Konzept so aus: Die vier Freiheitsgrade des SCARA-Roboters werden aufgeteilt – auf zwei Typen von kleinen, unempfindlicheren Maschinen, von denen jede nur noch zwei Freiheitsgrade besitzt. Kurier-Roboter – sie transportieren die halbfertigen Produkte auf dem Montagetisch hin und her. Sie können sich in Längs- und Querrichtung bewegen. Damit machen sie nicht nur ein Förderband überflüssig, sondern übernehmen auch einen Teil der Positionieraufgabe. Ein Kurier besteht aus Linearmotor – dem Irrwisch auf der Tischplatte – und „Brain Box“, einem Steuergerät an der Tischkante, das für die Versorgung mit Druckluft, Strom und Daten sorgt. Manipulatoren – sie sind an Brücken festgemacht, die den Montagetisch überspannen, und stellen simple Roboter mit zwei Freiheitsgraden dar: Auf-Ab sowie eine Rotationsbewegung um die eigene Achse. Der Manipulator holt sich die zu montierende Komponente mit einer raschen Drehung aus dem Teilemagazin und senkt sie dann ab auf das halbfertige Produkt, das ein hinzugeeilter Kurier ihm just „unter die Nase“ hält. Für diesen Augenblick addieren beide kleinen Roboter ihre je zwei Bewegungsmöglichkeiten zu denen eines „richtigen“ SCARA-Roboterarms. Nur: Ihre Bewegungen finden zeitgleich statt. Auch darum sind sie schneller als der SCARA – nicht nur, weil sie zehnmal kleiner sind und entsprechend rascher beschleunigen und bremsen. 40 oder mehr Kuriere und Manipulatoren kooperieren in der „Fabrik auf der Tischplatte“. Für extreme Positioniergenauigkeit sorgt der Tisch: Längs- und Querrillen unterteilen die Platte in halbmillimetergroße Quadrate, nach Art eines Waffeleisens. Die Kuriere zählen per Sensor die überquerten Quadrate und „wissen“ so stets, wo auf dem Tisch sie sind. Zudem messen Magnetfeld-Detektoren in ihnen die Änderung der Feldstärke in den Rillen. Resultat: extrem genaue Positionsbestimmung – weniger als einen Mikrometer Abweichung hat die Gruppe bei den Kurieren erreicht. Jeder der Roboter hat seine eigene Rechner-Intelligenz. Die Kuriere kommunizieren als „Agenten“ miteinander, welches die optimalen Wege sind – nämlich möglichst kurz und ohne Kollision untereinander. Es gibt keine Zentralrecheneinheit. Die Komponenten des Schwarms sind ebenso modular wie die Tischplattenteile. So kann eine Montagelinie nach Bedarf rasch erweitert oder verkleinert werden. Das Zusammenstellen einer Tischplattenfabrik, so Hollis‘ Idee, soll am Bildschirm des Designers durch Anklicken und Zusammenschieben grafischer Symbole stattfinden. Der besondere Clou soll die Repräsentation solcher „Minifactory“-Agenten im Internet sein: Realistische Simulationen geben dem Nutzer die Möglichkeit, sich die geplante Fertigungslinie erst einmal – mit Komponenten verschiedener Hersteller – am Bildschirm zusammenzustellen und die Kooperation des Robot-Schwarms zu testen.

Erst dann werden die physischen Bestandteile der Fabrik geordert – geleast statt gekauft, vermutet Hollis. Er ist sicher, daß eine solche Tischplattenfabrik innerhalb einer Woche die Arbeit aufnehmen kann. Nach dem Abbruch der Fertigung – etwa, wenn das Produkt am Markt nicht mehr läuft – könnten die Robot-Komponenten in den Leasing-Pool zurückwandern, aus dem sie geordert wurden. Das erspart weite Frachtwege. Und wo eben noch eine Fabrik war, die Computerspiele, Handgelenk-Fernseher oder Overhead-Projektoren für die Brieftasche montierte, ist dann wieder ein Lagerverkauf für Second-Hand-Kleidung – oder grüne Wiese.

Angesichts derartiger Ziele für Flexibilität, Schnelligkeit und Präzision ernten der Pittsburgher Robotiker und seine Arbeitsgruppe sowohl bewundernde als auch skeptische Kommentare. Skeptisch ist beispielsweise Dr. Manfred Schweizer. Er leitet das Arbeitsgebiet Montagesysteme am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart. Große Versprechungen in der Fertigungs-Automatisierung sind ihm suspekt: „Die Natur macht keine Sprünge, und die Technik genausowenig.“ Dem AAA-Vorhaben der Forschergruppe um Ralph Hollis attestiert er zwar, es klinge nach einer pfiffigen Lösung – doch er sieht nur ein sehr eingeschränktes Einsatzfeld: Es mangele an Marktprodukten, die in genügend hoher Stückzahl hergestellt werden könnten, um überhaupt den Aufbau solcher robotisierten Mikromontage-Linien zu rechtfertigen. „Massive Probleme“ sieht auch Dr. Helge-Björn Kuntze auf die Pittsburgher Forscher zukommen: „Diese Fabrik im kleinen mit mehreren Kurier-Robotern auf einer Tischplatte wird sehr schwer zu koordinieren sein – hohes Kollisionsrisiko“, so der Automatisierungsspezialist am Fraunhofer-Institut für Informations- und Datenverarbeitung (IITB) in Karlsruhe. Doch er klingt dabei eher begeistert als pessimistisch: „Das ist revolutionär!“ Es seien sogar zwei Revolutionen auf einmal, erläutert er. Zum einen: „Es ist ein ungewöhnlicher Ansatz, die Bewegung im Robot-System auf kurze Achsen und kleine Massen zu verlagern, die sich sehr schnell beschleunigen lassen“ – das spare viel Produktionszeit. Und die zweite Revolution: „im Mikrobereich unglaublich intelligent manipulieren“ zu können. In Deutschlands größter Ingenieurvereinigung VDI/VDE leitet Kuntze den Fachausschuß „Steuern und Regeln von Robotern“. Seine Funktion beschert ihm viel Überblick – in diesem Fall zu seinem Mißvergnügen: „In Europa gibt es kein vergleichbares Forschungsprojekt für neue Formen der Mikromontage.“ An forscherischer Zuwendung mangelt es auch, was die menschliche Seite der neuen Arbeitswelt angeht. Zu fragen gäbe es genug: Wie kommen im 21. Jahrhundert die Ingenieure und Arbeiter mit flüchtigen Arbeitsverhältnissen zurecht – mit nur vorübergehend existierenden Fabriken?

„Im Arbeitsmarkt der Zukunft“, sagt Prof. Walther Zimmerli vom Institut für Philosophie der Universität Marburg, „wird tendenziell eine Person ein Unternehmen sein.“ Die Technik erlaube einen weltweit offenen Anbietermarkt, so Zimmerli 1996 auf dem Symposium „Zukunft der Arbeit“ in Hennef: „Man braucht kein großes Unternehmen mehr, um die eigenen Fertigkeiten weltweit anzubieten – man braucht nur einen Internet-Anschluß.“

Reicht das? Das Gefühl der Zugehörigkeit zu „seiner Firma“ prägte im 20. Jahrhundert den Industriebeschäftigten. Der Dortmunder Arbeitssoziologe Prof. Hartmut Neuendorff sieht die Situation an der Wende zum 21. Jahrhundert noch in dieser Tradition: „Die Menschen in hochautomatisierten Fertigungen erleben zwar heute, daß Arbeiten, aus denen sie früher Identität und Stolz bezogen haben, viel präziser von Maschinen erledigt werden. Doch an der generellen Einstellung zum Unternehmen hat sich wenig geändert.“ Anders wäre es, sagt Neuendorff, wenn der Betrieb als dauerhafter Identitätsfaktor wegfiele: „Das wäre ein Bruch.“ Der Umbruch hat bereits begonnen, urteilt Dr. Volker Wittke vom Soziologischen Forschungsinstitut Göttingen (SOFI): „Die gewohnten industriellen Arbeitsverhältnisse – 7,2-Stunden-Tag, lebenslange Anstellung in derselben Fabrik – sind doch längst in Auflösung begriffen.“ Eine Differenzierung in unterschiedliche Arbeitsformen habe eingesetzt. Ein künftiges Arbeiten in nur zeitweise bestehenden, hochautomatisierten Montagefabriken wäre da nur eine weitere Facette unter vielen.

Der Göttinger Wissenschaftler ist allerdings „extrem skeptisch“, was den betrieblichen Nutzen einer in Industrie-Nomaden aufgelösten Arbeiterschaft angeht, die nach Bedarf via Internet geheuert und nach einigen Monaten gefeuert würde: „Ich sehe den umgekehrten Trend – mehr Gruppenarbeit, mehr Selbstorganisation der Montageteams. Gruppenarbeit bezieht aber ihr Potential aus stabilen sozialen Zusammenhängen. Die Firmen sind daher bemüht, die Teams beisammenzuhalten.“ Wittke glaubt nicht an die These: eine Person – ein Unternehmen. „Betriebliche Zusammenhänge mit Menschen, die einander kennen und aufeinander eingestellt sind, haben ihre Vorteile. Man kann diese Zusammenhänge auflösen – aber zu welchem Preis? Das wird bei den Debatten, in denen die virtuelle Fabrik von morgen gerühmt wird, immer wieder vergessen“, ärgert er sich.

Ralph Hollis in Pittsburgh beschränkt sich auf die Aussage: „Unser Montage-Systemansatz fördert sicherlich das Entstehen flexibler, virtueller Organisationen.“ Zur Arbeitswelt an den Fertigungslinien des 21. Jahrhunderts äußert er sich nicht: „Ich bin kein Soziologe.“ Unbehaglich schaut er drein, wenn die Rede auf die „Schwarm-Vision“ kommt. Dann ist er sichtlich bemüht, überzogene Erwartungen zu dämpfen: „Wir konzentrieren uns erst einmal auf das Nahziel, die Minifabrik zum Laufen zu bringen. Wenn unser System der Präzisionsmontage funktioniert, kann man den nächsten Schritt überlegen.“ Und doch wird er von Besuchern am Robotics Institute immer wieder auf diese Vision angesprochen. Denn sie ist die logische Fortentwicklung der „Agile Assembly Architecture“ von der Tischfläche in den Raum – aus der Zwei- in die Dreidimensionalität. Die Montagelinie von übermorgen könnte an einen Wespenschwarm erinnern, der ein Nest baut. Im Zentrum des Geschehens wären große Objekte – halbfertige Maschinen oder Fahrzeuge. Und darüber, so vermittelt es die Phantasie, schwärmt eine summende Wolke aus Dutzenden oder gar Hunderten von Robotern, die frei im Raum navigieren. Sie heben ab, holen Bauteile aus den Magazinen im Hintergrund, docken am Montageobjekt an, schweißen und löten, heben wieder ab, holen neue Komponenten. Jeder im Schwarm navigiert und operiert selbständig, mit eigener maschineller Intelligenz. Hirngespinst – oder konsequent weitergedachter Trend fürs 21. Jahrhundert? Es darf gewettet werden.

Infos im Internet

Das Robotics Institute in Pittsburgh http://www.ri.cmu.edu/

Agile Assembly Architecture (AAA) http://www.cs.cmu.edu/~msl/minifactory/minfact_desc.html

Komponenten einer AAA-Minifabrik: http://almond.srv.cs.cmu.edu/afs/cs/project/msl/www/minifactory/mfcomponents.html

Thorwald Ewe

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