Warum dauert die Roboterrevolution länger als erwartet?

Während die Branche sehr stark brummt, bestätigen die aktuellen Zahlen nicht den vorhergesagten signifikanten Anstieg. Dabei hat sich die Landschaft der Roboterunternehmen in den letzten Jahren stark verändert. Statt ingenieurgetriebenen Herstellerfirmen für teure, universell einsetzbare Industrieroboter mit aufwendiger Mechanik und großen Traglasten wird der Robotermarkt von Low-Cost-Robotern für eine Vielzahl von Anwendungen oder Spezialrobotern geprägt. Insbesondere in Asien sind viele neue Firmen auf den Markt gekommen. China hat die Robotik als einen der Haupttreiber für die Strategie 2025 Made in China identifiziert und zählt 2020 bereits mehr als 800 Roboterunternehmen.

Wie entwickeln sich die verschiedenen Anwendungsgebiete?

Neue Produkte kommen inzwischen schnell auf den Markt, da es viele zuverlässige Komponentenlieferanten gibt. Kollaborative Roboter sind auf dem Vormarsch. Open-Source-Roboterbetriebssysteme und Fortschritte in der künstlichen Intelligenz sorgen für zusätzliches Wachstum.

Wenn andererseits die Anwendung von Robotern in industriellen Umgebungen betrachtet wird, gibt es nur begrenzte Bereiche, in denen die „mechanischen Geister“ allgegenwärtig sind. Das Schweißen von Karosserien, das Kleben und die Montage sind Schlüsselbereiche für Roboteranwendungen in Europa, die Mobiltelefonproduktion in China und viele Serviceanwendungen sind es in Japan. Darüber hinaus hat die Anwendung von Robotern außerhalb des industriellen Anwendungsbereichs erheblich zugenommen. Medizin- und Serviceroboter waren neue Schlüsselanwendungsbereiche, während die Stückzahlen von Saug-, Wisch und Mährobotern erheblich zugenommen hat.

Der Blick auf die Zahlen belegt den Erfolg der Roboterindustrie, aber nicht das erwartete, phänomenale Wachstum. Bei der Analyse der wichtigsten Herausforderungen für die Anwender gibt es einige offensichtliche Trends, die es den Roboterherstellern erschweren werden, das Volumen in den prognostizierten Mengen zu erhöhen. Für einen größeren Erfolg sind einige Schlüsselinnovationen umzusetzen, die das weitere Wachstum in der Roboterindustrie beschleunigen können. Daraus ergeben sich auch einige wichtige Hinweise für Investoren in dieser Branche.

Roboter anhand der Zahlen beurteilen

Es gibt viele sehr optimistische Akteure auf dem Markt. Denn allein ein Roboterunternehmen prognostiziert, bis 2025 eine Million kollaborative Roboter pro Jahr zu verkaufen. Dies würde das Volumen der installierten Roboter um den Faktor drei erhöhen, ohne dass ein Konkurrenzunternehmen einen einzigen Roboter verkaufen würde. Unter der Annahme, dass dieses Unternehmen realistisch maximal 25 Prozent des gesamten Marktanteils erreichen würde, würde sich das Gesamtvolumen um das Zehnfache erhöhen.

Laut der Studie 2020 der International Federation of Robotics stieg die Anzahl der installierten Einheiten 2019 um 12 Prozent, während das durchschnittliche jährliche Wachstum seit 2014 etwa 13 Prozent betrug. Seit 2010 hat sich die Anzahl der Roboter in Asien und Asien um den Faktor 3,5 erhöht; in Europa nur um den Faktor 2,3, wobei Amerika im Mittelweg liegt.

Während ein zwanzigfacher Anstieg einen signifikanteren Zuwachs erfordern würde, hat sich das Wachstum von Roboterinstallationen tatsächlich verlangsamt. Bei Betrachtung der Jahreszahlen verringerte sich die Anzahl der installierten Roboter von 2018 bis 2019 um 12 Prozent auf 373.000 Einheiten. Diese Zahlen korrelieren nicht mit dem Wirtschaftswachstum insgesamt, denn z.B. das chinesische Industriewachstum stieg 2019 gegenüber dem Vorjahr um 5,7 Prozent auf 6,1 Prozent, während die Installationszahlen in China deutlich abnahmen.

Obwohl enorme technische Anstrengungen unternommen wurden, um die Roboterkosten auf einen Bruchteil der ursprünglichen Verkaufspreise zu senken, fehlt der erwartete Volumenanstieg vielen Prognosen. Viele Neueinsteiger haben bestehende Roboterhersteller herausgefordert und einige sind in den letzten Jahren erheblich gewachsen. Obwohl das Gesamtvolumen gestiegen ist, haben viele Unternehmen ihre Volumenziele dennoch deutlich verfehlt. Dies führt zu vielen Fragen: Warum fehlen ihnen die Volumenprognosen? Ist der Markt nicht bereit? Oder sind die Produkte zu unreif? Was behindert die Anpassung von Robotern?

Warum steigen die Roboterverkäufe nicht wie versprochen in die Höhe?

In den letzten Jahren wurde der Robotermarkt in mehrere Schlüsselmärkte unterteilt:

• Industrieroboter
• Medizinische Roboter
• Serviceroboter
• Verbraucherroboter.

Diese Liste lässt sich in umgekehrter Reihenfolge wie folgt vertiefen. Verbrauchergeräte, wie Staubsauger-, Wisch- und Rasenmähroboter, haben in den letzten Jahren erhebliche Umsatzsteigerungen verzeichnet und sind stetig gewachsen. Die privaten Endkunden haben sehr schnell Ein-Aufgaben-Lösungen eingeführt und können heutzutage aus einer Vielzahl von Anbietern auswählen. Niedriger Preis, akzeptable Leistung und einfache Implementierung haben zu einer hohen Akzeptanz der Kunden geführt.

Auch Serviceroboter bekommen mehr und mehr Zulauf. Der ursprüngliche französische Roboter namens „Pepper“ ist seit vielen Jahren ein gut kommuniziertes Robotermodell und wird jetzt von der japanischen Firma Softbank Robotics verkauft. Es tauchen verschiedene Arten von Servicerobotern auf. Der Boston Dynamics-Roboterhund „Spot“ und die menschlichen Systeme „Atlas“ und „Handle“ geben einen Einblick in die Möglichkeiten der Technologie, wie viele YouTube-Videos demonstrieren. Serviceroboter werden überall auf der Welt entwickelt: Omron in Japan und Halodi in Norwegen zeigen neue Konzepte für den Einsatz dieser Sparte von Robotern.

Das Volumen von medizinischen Robotern hat erheblich zugenommen, und der Wettbewerb weitet sich aus. Während Intuitive Surgical mit seinen Robotern der Technologieführer ist und einen hohen Preisbereich abdeckt, beginnen viele Wettbewerber, auf dem Markt Fuß zu fassen. Dazu gehören viele Newcomer wie Johnson & Johnson, die Verb Surgical und Auris zu einem Unternehmen zusammenfassen, Medrobotics, Neocis, avatera medical, CMR Surgical, Corindus Vascular Robotics und andere. Medizinische Roboter stehen vor einem schnell wachsenden Markt. Wenn Exoskelette wie Rewalk Robotics, Sarcos oder Ekso zu diesem Markt hinzugefügt werden, ergibt sich ein Schwarm von Unternehmen, die durch sehr viel Risikokapital oder große medizinische Unternehmen finanziert werden. Da viele Länder über gut funktionierende Gesundheitssysteme verfügen, ist das Wachstum in diesem Markt leicht zu prognostizieren, da die Systeme die Qualität von Operationen erheblich verbessern.

Roboter in der Industrie etablieren sich weiter

Industrieanwendungen waren die Startzündung für Roboter. Eine Autoproduktionslinie mit vielen Schweißrobotern zu sehen, ist ein weithin akzeptiertes Bild. Das Aufbringen von Klebstoff, die Montage und vergleichbare Aufgaben werden seit vielen Jahren mit Robotern durchgeführt. In den letzten Jahren haben neue Roboter die Landschaft verändert. Universal Robots hat mit seinen kostengünstigen Robotern mit begrenzter Nutzlast, aber stark reduzierten Kosten einen neuen Markt geschaffen. Viele Wettbewerber weltweit haben andere kostengünstige Roboter entwickelt, wie Franka Emika, ABB (in Teilbereichen), Aubo, Estun Robotics, Shanghai Step Robotics, Siasun Robotics und Flexiv. China hat die Robotik als einen der wichtigsten strategischen Treiber für das Wirtschaftswachstum identifiziert.

Im Industrierobotermarkt beginnen strategische Allianzen, z.B. die gescheiterte Allianz Franka und Voith, und Aufkäufe, z.B. der Kauf von Rethink Robotics durch Hahn und jetzt von Siemens, den Markt neu zu definieren. Eine Konzentrationswelle, wie in anderen Branchen, ist voraussichtlich erst bei einer höheren Marktreife zu erwarten.

Ein spezielles Geschäftsfeld, das sich in den letzten Jahren herausgebildet hat, sind kollaborative Roboter, Roboter, die mit Menschen interagieren können und nicht die gleiche Sicherheitseinrichtung erfordern wie andere Industrieroboter. Diese Roboter haben die Integration von Robotern in vorhandene Arbeitsplätze erheblich vereinfacht und eröffnen viele neue Anwendungsbereiche. Industrieroboter sind jetzt billiger als der Jahreslohn einer Arbeitskraft und stellen eigentlich eine attraktive Investition dar. Dennoch entspricht die tatsächliche Installationszahl nicht den Erwartungen.

Was wird benötigt, um besser verkäufliche Robotersysteme zu schaffen?

Obwohl Roboter ursprünglich geschaffen wurden, um menschliche Arbeiter zu ersetzen, ist die Geschicklichkeit menschlichen Tuns immer noch den fortschrittlichsten mechanischen Gesellen überlegen. Ein Mensch mit allen verfügbaren Sensoren – Gefühl, Augen, Ohren – ist für viele Aufgaben weitaus besser gerüstet, und der Freiheitsgrad in einer Hand liegt weit außerhalb der Greiffähigkeiten eines Roboters. Zusätzlich hat der Mensch das Gehirn als „Superprozessor“, das mit unvorhergesehenen Zuständen umgehen kann. Daher sind in verschiedenen Roboterkomponenten Veränderungen in der Technik erforderlich, um den Nutzen zu erhöhen.

Ein Schlüsselbereich, der erhebliche Änderungen erfordert, ist die Notwendigkeit besserer Sensoren. Optische Sensoren, die stereoskopische Ansichten aufbereiten und dreidimensionale Auswertungen ermöglichen, bieten einen besseren Steuerungsmechanismus als die vorhandenen Sensoren. Denn diese werten nur die Positionen an den vielen Gelenken einer komplexen mechanischen Struktur aus, um daraus die Bewegung einer komplexen Struktur zu überwachen. Steuerungsarchitekturen, die mit besseren optischen Eingangsinformationen gefüttert werden, ermöglichen eine bessere Bewegungssteuerung eines Roboters.

Gleichzeitig werden taktile Sensoren in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Bis heute gibt es in den meisten Robotern wenig taktile Intelligenz, die komplett neue Greiffähigkeiten ermöglichen können. Die vorhandenen Aktuatoren sind nicht gut für Roboter ausgelegt. Roboter benötigen idealerweise einen kleinen Motor mit niedriger Drehzahl, hohem Drehmoment und geringer Latenz. Elektromotoren sind größer als erforderlich und bieten ein hohes Drehmoment bei höheren Drehzahlen. Anwendungen in Robotern erfordern daher Getriebe und zusätzliche Bremsen für schnelle Reaktionen, was zu großen Gelenkstrukturen führt. Große Gelenke führen zu größeren Robotern, während viele Anwendungsbereiche kleine Roboter erfordern.

Gleichzeitig ist die Struktur typischer Roboter eher mit einem menschlichen Arm vergleichbar als mit der zweiarmigen menschlichen Lösung. Während verschiedene Strukturen – lineare X-/Y-/Z-Systeme, Scara-Systeme oder Hexapoden – verwendet wurden, um einige Mängel der typischen sechs separaten Drehgelenksysteme zu überwinden, haben nur wenige Roboter zwei Armsysteme implementiert.

Programmierbare Bewegungssteuereinheiten sind kleiner geworden, sodass sie in Roboter integriert werden können. Deshalb sind weniger große Steuerschränke außerhalb des Roboters erforderlich. Während die Steuerungsfähigkeit in den letzten Jahren erheblich zugenommen hat und künstliche Intelligenz die Fähigkeiten noch weiter erweitern wird, können nicht alle Aufgaben gut genug gesteuert werden. Eine Pfadoptimierung ist komplexer als die übliche Punkt-zu-Punkt-Bewegung, die durch eine verteilte Intelligenz an einzelnen Achsen noch schwieriger zu korrigieren ist.

Die nächste Steuerungsebene – die Steuerung mehrerer kollaborativer Roboter, die an derselben Aufgabe arbeiten – wurde noch nicht wirklich als Standard implementiert. Selbst für zwei Arme, die einen Menschen imitieren, fehlt diese Koordination. Während Volumensteigerungen zu Skaleneffekten führen werden, sind die Systeme aufgrund der erforderlichen Größe und Präzision der mechanischen Strukturen in der Regel recht teuer in der Herstellung.

Mit dem „Robot Operating System“, einer Open Source-basierten Roboterprogrammierumgebung, steht den Herstellern von Robotern eine einfache Echtzeit-basierte Programmierumgebung zur Verfügung. Damit entfallen viele Einmalkosten bei der Entwicklung einer aufwendigen Steuerung der Roboterfunktionen im Gerät.

Die Robotik wird ein Bereich mit hoher technischen Veränderungsrate bleiben, da viele verschiedene Segmente zahlreiche Innovationsmöglichkeiten für „Geniestreiche“ bieten werden. Wie zuvor beschrieben, haben Sensoren, Aktuatoren, Steuereinheiten und mechanische Strukturen mehrere Optimierungsanforderungen. Innovationen werden voraussichtlich zu neuen Systemdesigns führen.

Was verändert sich bei der Roboterprogrammierung?

Die Roboterprogrammierung hat sich in den letzten Jahren erheblich gewandelt. Während frühe Systeme auf einer einfachen numerischen Steuerungsprogrammierung basierten, hat sich dieser Bereich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt. Dennoch gibt es verschiedene Programmiersprachen von Roboterherstellern. Ein Roboterwechsel erfordert das Erlernen eines neuen Programmierdialekts, im schlimmsten Fall einer neuen Sprache. Damit sind in den Unternehmen hohe Personalinvestitionen für eine optimale Betreuung von Robotern, aber auch für die Erstprogrammierung erforderlich.

Die Programmierung selbst bietet mehrere Herausforderungen. Zunächst muss ein Prozess beschrieben werden. Dies kann in verschiedenen Programmiersprachen mit unterschiedlicher Unterstützung erfolgen. Zweitens ist der Prozess auf mehrere Positionen ausgerichtet. Aufgrund der Ungenauigkeiten in der physischen Roboterstruktur müssen die Schlüsselpositionen des Roboters dem System im wirklichen Leben geteacht, also einzeln angelernt, werden. Diese Aufgabe wird erst entfallen, wenn Stereo-Sehen mit semantischem Verständnis in den Robotern implementiert ist.

Neue Programmierumgebungen bieten neue Paradigmen. Bei einem „Show-and-Tell“-System bewegt ein Benutzer einen Roboter durch alle Schritte und lehrt gleichzeitig Prozess und Position. Mit speziellen Bewegungsbibliotheken können Standardaufgaben wie die Palettierung viel schneller implementiert werden.

Google ist einen ganz anderen Weg gegangen. Mit dem „Everyday-Roboter“ nutzt das Unternehmen sein Know-how im Bereich künstliche Intelligenz. Das System kann seine eigenen Prozesse lernen und lernen, wie einfache Prozesse zu programmieren sind. Während das System viel Zeit benötigt, um selbst einfache Prozesse zu lernen, kann es sehr produktiv werden, sobald das Lernen von einem Roboter auf alle „Geschwister“ übertragen werden kann und sie die gleichen Dinge wissen.

Angesichts des Standes der Technik verdient die Roboterprogrammierung für die meisten Unternehmen ein „Befriedigend“ für die Anwendbarkeit. Die Implementierung von Robotern erfordert noch viel Programmierung und basiert auf begrenzten Sensoreingaben. Selbst ein digitaler Zwilling ist nicht die Lösung für alle Anforderungen, da das endgültige System die Vermittlung von Positionen in der endgültigen Anwendung erfordert, wenn sich die Technik nicht rapide weiterentwickelt.

Die Implementierung von Robotern ist immer noch eine herausfordernde Aufgabe

Einer der Schlüsselfaktoren für einen Robotereinsatz ist die Einfachheit der Implementierung. Während Roboter ursprünglich als variable, programmierbare Produkte entwickelt wurden, sind viele neue Roboter Einzweckanwendungen mit eingeschränkten Programmiermöglichkeiten. Und diese neuen Roboter verkaufen sich besser als ihre Mehrzweck-Cousins.

Warum steigen die Stückzahlen dieser Serviceroboter, medizinischer Roboter und Verbraucherroboter so schnell? Weil sie einfach zu installieren sind. Sie erfordern keine aufwendige Implementierungsplanung und hohe zusätzliche Investitionen. Und ihre Nutzenbestimmung ist in der Regel sehr einfach: Diese Roboter lösen eine Aufgabe besonders gut und bieten eine sehr einfache Wirtschaftlichkeitsberechnung. Jede Arbeitsausführung des Roboters spart eine bestimmte Menge Geld und während der Lebensdauer der Roboter führen die Einsparungen zu einer hohen Amortisation der Anfangsinvestition.

Der Kauf eines solchen Roboters ist ein einfacher Vorgang: Sobald der Roboter angeschafft und geliefert ist, kann die Amortisation schnell beginnen, da die Zeit für die Implementierung sehr kurz ist. Das System muss möglicherweise einmalig mit wenig Aufwand angepasst werden, ist jedoch vom ersten Tag an nützlich.

Industrieroboter haben eine andere Herausforderung. Einer der Gründe für die niedrige Akzeptanzrate ist der hohe Aufwand für die Planung, Implementierung und Inbetriebnahme der Systeme. Der Vorteil der universellen Lösung ist genau der Grund für diesen Aufwand, nämlich die Folge der Komplexität. Das Finden des besten Weges zur Verwendung eines Systems erfordert viel mehr Aufwand als bei den zuvor beschriebenen Einzwecklösungen.

Für eine typische Industrieroboteranwendung besteht zusätzlich erheblicher Bedarf an viel Peripherie. Sicherheitseinrichtungen, Schutzzäune, Überlegungen zum Materialtransport, Teilezuführungen, spezielle Greifer und Programmierung sind einige der Schlüsselelemente, die erforderlich sind, um eine wirtschaftliche Anwendung und langfristig eine Kapitalrendite für die Roboter zu erzielen. Während in der Vergangenheit bei den kostenintensiven Robotersystemen die Aufteilung zwischen Roboter und Integration ungefähr 50 / 50 (in Prozent) betrug, führen die aktuellen Low-Cost-Systeme zu einem Verhältnis von 20 Prozent zu 80 Prozent zwischen den Gerätekosten und dem gesamten Implementierungsaufwand. Der Aufwand für die Implementierung eines Roboters in einer Produktionsumgebung ist fünfmal höher als die Kosten des Roboters allein.

Damit Mehrzweck-Industrieroboter eine massive Mengensteigerung erreichen können, müssen die Installationsprobleme behoben werden. Standardisierte Teile- und Standardschnittstellendesigns, standardisierte Behälter, standardisierte Greiffunktionen und die Beibehaltung der Ausrichtung von Teilen in Roboterzellen sind Schlüsselelemente, um die Planung des Einsatzes von Robotern zu vereinfachen.

Auswirkung der Roboterindustrie auf die Produktion in Deutschland

Die Low-Cost-Robotersysteme haben einen erheblichen Einfluss auf die Produktionsstrategien von produzierenden Unternehmen in Deutschland. Sie erlauben es, Produktionen aus Niedriglohnländern zurückzuholen. Anstatt Material über lange Wege zu Niedriglohnstandorten zu transportieren, um dort von dem günstigen Kostenniveau zu profitieren, bieten Roboterproduktionen eine wirtschaftliche Alternative. So können Low-Cost Roboter-Linien die gleiche Kostenstruktur in Deutschland erreichen wie manche Niedriglohnproduktion.

Im Rahmen von Projekten zur Bewertung von Lieferrisiken kommen immer mehr Komponentenfertigungen und Baugruppenmontage zum Vorschein, die aus Kostengründen mit hohem logistischen Aufwand ins Ausland verlagert wurden. Mit den neuen Robotersystemen lassen sich einige dieser Produktionen automatisieren und dann nach Deutschland zurückholen. Zusammen mit der Flexibilität der Roboter lassen sich zum einen die Variantenvielfalt steigern und andererseits die Lieferzeiten verkürzen. So werden kostengünstige Roboter die Wertschöpfung in Deutschland weiter steigern können. Denn in Deutschland sind viele Ingenieurkapazitäten für die Planung von Roboterproduktionslinien vorhanden. Dabei muss jedoch die alte Optimierungsdenke von einer Verlagerung in Niedriglohnländer verlassen werden.

Die steigende Leistungsfähigkeit von Robotern und eine durchgängige Linienplanung sorgen für neue Produktions- und Montagekonzepte, bei denen in Linien erhebliche Rationalisierungspotenziale erreicht werden können. Gerade niedrige Investitionskosten für die Roboter führen zu kurzen Amortisationszeiten. Auch in diesem Bereich sind noch viele Herausforderungen zu lösen, da vielfach Roboter als Einzweck-Produktionsanlagen geplant werden. Wie können Roboter für die Herstellung verschiedener Produktgenerationen eingesetzt werden? – dies ist eine wichtige Aufgabenstellung, um die langfristige Nutzung von Robotern in der Produktion zu stärken und die hohe Flexibilität der Anlagen besser zu nutzen.

Fazit

Die Robotik wird weiterhin eine „glänzende Zukunft“ sehen. Weiterhin werden viele Roboterfirmen entstehen, die in diesem Riesenmarkt erfolgreich sein werden. Die Anzahl der Einzelzweckroboter wird in den nächsten Jahren stärker steigen als bei Mehrzweckroboterinstallationen. Derzeit wird der Zeit- und Arbeitsaufwand für die Planung und Installation von Robotern der begrenzende Faktor für das künftige Wachstum für die Universalsysteme sein. Im Gegensatz zu den einfach zu nutzenden Einzweckrobotern verhindert die Komplexität der Planung, Installation und Inbetriebnahme die Verwendung universeller Robotersysteme.

Obwohl es viele Möglichkeiten gibt, die Robotertechnologie zu verbessern, werden Installationen von Industrierobotern nicht exponentiell steigen. Obwohl die Mengensteigerungseffekte bei der Herstellung von Robotern von den Venture-Capital-Firmen sehr geschätzt werden, begrenzt der Implementierungsaufwand bei den Anwenderunternehmen der Skalierungserfolg. Ohne deutliche Verbesserung der Planungs-, Installations- und Inbetriebnahmeprozesse wird sich darin nicht viel ändern. Wenn sich die durchschnittliche Planungszeit für einen Roboter von acht Monaten auf zwei Monate verringert, kann ein Planer viermal mehr Roboter implementieren, was das Produktionsvolumen des Roboters erheblich erhöht.

Die Konzentration auf die Verbesserung dieser Prozesse wird neue Lösungsansätze identifizieren und ein viel modulareres System für die Ausrichtung und Handhabung von Teilen erfordern. Durch die Rückmeldung solcher Module kann das Design industriell hergestellter Produkte verbessert werden, um eine bessere Eignung für eine Robotermontage zu erzielen. Damit erhöht sich der Bedarf für Roboter weiter.

Auch wenn die aggressivsten Wachstumsprognosen nicht erreicht werden, wird der Robotermarkt noch viele Jahre attraktiv bleiben. Denn auch mit einem Wachstum von 13 Prozent pro Jahr sind attraktive Geschäftsmodelle für Unternehmen möglich.

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