Robotik und KI in der Industrie: Die große Expertenumfrage

Robotik und KI: Die Zukunft gehört dem vernetzten Zusammenspiel von stationären Robotern und autonomen mobilen Robotern. Welche Rolle dabei künstliche Intelligenz (KI) und Cybersicherheit spielen, erläutern uns elf Robotik-Experten.

Fragen an die Experten zum Thema Robotik und KI

1. Die Corona-Pandemie gilt in vielen Bereichen als veritabler Digitalisierungsbeschleuniger. Wie sieht das im Bereich Industrierobotik aus?
2. Ein wichtiger Trend in der Automation ist künstliche Intelligenz (KI). Welche KI-Anwendungen sehen Sie in der Robotik?
3. Robotik ist eine der Schlüsselkomponenten der Industrie 4.0, und ihre Implementierung nimmt weiter zu. Ein wichtiges Thema ist die Sicherheit. Wie lässt sich die Cybersicherheit von Robotern verbessern, die in der Infrastruktur der Betriebstechnologie (OT) eingesetzt werden?

1. Die Corona-Pandemie beschleunigt bestehende Trends, beispielsweise den Arbeitskräftemangel oder das Near­shoring. Viele Unternehmen wollen Roboter und Automatisierungslösungen auch schneller einführen – sowohl zum Schutz der Gesundheit ihrer Mitarbeitenden als auch zur Verbesserung der Effizienz. Zudem sind zukunftsfähige, roboterbasierte Technologien für flexible Produktionslinien oder Arbeitsplätze mit Mensch-Roboter-Kollaboration gefragt. Dabei stehen neben dem flexiblen Einsatz von Lösungen deren einfache Installation und Nutzung im Fokus.

2. KI ermöglicht, gesammelte Daten in nützliche Informa­tionen umzuwandeln, sodass Roboter langfristig auto­nom, selbstlernend oder selbstoptimierend arbeiten können. Es geht nicht darum, menschliche Fähigkeiten zu kopieren. Roboter werden durch KI in die Lage versetzt, in unstrukturierten Umgebungen zu arbeiten. Dazu müssen sie bestimmte Muster erkennen und ihre Fehler selbstständig korrigieren. KI macht Fabriken insgesamt effizienter, zuverlässiger und produktiver – auch durch die intelligente Kombination mit anderen Maschinen, fahrerlosen Transportsystemen (FTS) sowie fortschrittlichen Bildverarbeitungssystemen. So entstehen in der Fabrik der Zukunft flexible Fertigungssysteme.

3. Ein Ansatz, der bereits heute erfolgreich praktiziert wird, ist das Einbetten der Cybersicherheitsthematik in das ­Instandhaltungskonzept für Roboter – Stichwort Connected Services. Durch vorausschauendes Condition Monitoring fallen Störungen in Echtzeit auf – Sicherheitsthemen lassen sich so proaktiv behandeln. Außerdem muss selbstverständlich die Datensicherheit gewährleistet werden: Die Roboterdaten sollen beim Kunden bleiben und nur für ihn einsehbar sein.

1. Industrieroboter sind flexibler als Spezialmaschinen und ermöglichen zudem eine höhere Qualität und Durchgängigkeit der Rückverfolgbarkeit als manuelle Tätigkeiten.
Flexibilität bei gleichzeitiger Spitzenqualität inklusive durchgängiger Produktentstehungsdaten sind genau die Anforderungen an die resilienten Lieferketten von heute. Die Covid-Pandemie hat die Notwendigkeit für resiliente Lieferketten in den Brennpunkt gerückt. Flexible Automatisierung mit sensor-adaptiven Industrierobotern lautet die Lösung dafür.

2. In der Industrierobotik geht es darum, mit KI den gesamten Betreuungsprozess von Roboteranwendungen zu unter­stützen und immer weiter zu automatisieren. Das heißt, Planung, Programmierung, Inbetriebnahme, Anlaufbetreuung, Optimierung und Dauerüber­wachung von Industrieroboter­anwendungen werden durch KI immer mehr unterstützt und lassen sich später auch in Teilschritten vollautomatisch realisieren. Damit wird die KI zu einem unverzichtbaren Partner der Ingenieure und Techniker.

3. Der konsequente Ansatz für Cybersicherheit lautet: Airgaps. Man muss IT-Netze, welche die Produktion steuern, koordinieren und deren Überwachung zulassen, jederzeit als abgegrenzte Architekturen ausführen und dort alle zen­tralisierten Funktionen in Edge-Technologie umsetzen. Diese ­Inseln müssen komplett vom Internet getrennt sein. Der Ansatz, Cloud-Anbindungen mit kryptographischen Tunneln und spezifischen Hardware-Gateways zu realisieren, ist aktuell rein praktisch gesehen im Sinne harter Sicherheit und des relativen Aufwands noch nicht wettbewerbsfähig. Das mag sich in einigen Jahren mit der Weiterentwicklung noch konsequenterer Härtungstechnologien auf Netzwerkebene dann ändern.

Geänderte Bedingungen treiben Robotik und KI voran

1. Unabhängig von Corona sehen wir ein steigendes Interesse am Einsatz von Industrierobotern im Fertigungsumfeld. Waren es doch früher hauptsächlich Pick & Place-Aufgaben, setzen unsere Kunden Roboter nun für ­Fräsaufgaben, 3D-Druck, Schleifen, Entgraten oder Kleben ein.
Ob die Pandemie an dieser Stelle ein Beschleuniger ist, wird sich in den nächsten Monaten zeigen. Zweifelsfrei wird in der Industrie über Möglichkeiten nachgedacht, mittels Roboter die Prozesse nicht nur zu beschleunigen, sondern zu optimieren. Warum soll der Roboter eine CNC-Maschine nur mit Rohteilen füttern, wenn er doch gleich die komplette Arbeit übernehmen kann?

2. KI wird sicherlich in den nächsten Jahren verstärkt in das Umfeld der Industrieroboter, aber auch in die gesamte Fertigung einziehen. Dabei muss man beachten, ob es wirklich eine KI, also künstliche Intelligenz ist, oder doch eher ein cleverer Algorithmus, der den Roboter in die Lage versetzt, eigene Fallunterscheidungen zu treffen. Aber letztlich sind auch diese von dem Programmierer abhängig.
Eine wirkliche KI würde bedeuten, dass der Roboter selbstständig Lösungswege erarbeiten kann und neue, bis dahin nicht gekannte, Alternativen entwickelt. Dies sehe ich allerdings erst in weiterer Zukunft – vor allem im produktiven Einsatz.

3. Auch im Bereich der Sicherheit lassen sich bereits KI oder clevere Algorithmen einsetzen, zum Beispiel bei den ­Cobots. Die Roboter erkennen über Sensoren ihr Umfeld und können entsprechend reagieren. So erfolgt keine Bearbeitung, wenn ein Mensch in der Nähe ist. Dies kann Sicherheitsbereiche überflüssig machen. Der Roboter kann hier nicht nur den Menschen schützen, sondern auch unterstützen.

1. Getriggert durch Covid-19, befassen sich immer mehr Unternehmen mit der Frage, wie sie ihre Produktivität und Lieferfähigkeit auch im Falle zukünftiger Krisen absichern können. Digitale Lösungen wie Fernwartung und Online-Support sind dafür wichtige Schlüssel. Auch sehen wir den Bedarf, virtuell die Inbetriebnahme von Robotern und auch komplexen Automatisierungslösungen mit Hilfe eines digitalen Zwillings vorzubereiten. Wir gehen davon aus, das sich in der Zukunft ­hybride Inbetriebnahme-Konzepte durchsetzen werden. Machbarkeits- oder Zykluszeitanalysen werden dabei schon im Vorfeld durchgeführt, um die Systeme zunächst virtuell in Betrieb zu nehmen. Das vereinfacht und beschleunigt die ­Inbetriebnahme vor Ort und reduziert zudem das Fehler­risiko. Die weitere Etablierung von OPC UA als Kommunikations­standard unterstützt diesen Trend.

2. Künstliche Intelligenz eröffnet große Chancen, unter anderem für die sich kontinuierlich selbst optimierende Produktion auf Basis von Live-Daten. Mit dem iQ Process Observer hat Engel eine erste Anwendung vorgestellt – zunächst für Spritzgieß­maschinen. Die Software überwacht mehrere Hundert Prozessparameter gleichzeitig.

3. Entscheidend ist, dass alle Produktionssysteme unabhängig vom verwendeten Leitsystem abgesichert und für die Kommunikation ausschließlich sichere Verbindungen genutzt werden. Engel hat hierfür das Edge Device eingeführt, das die Aufgabe einer zusätzlichen Firewall übernimmt. Für die sichere Kommunikation zwischen Produktionszelle und Edge Device arbeitet wir mit zertifikatsbasierter Authentifizierung und Autorisierung. Ebenso sind Applikationen signiert, um Manipulationen durch Dritte auszuschließen. Potenzielle Angriffe werden zukünftig automatisch erkannt und selbstständig Maßnahmen zur Abwehr eingeleitet.

Fragen an die Experten

1. Die Corona-Pandemie gilt in vielen Bereichen als veritabler Digitalisierungsbeschleuniger. Wie sieht das im Bereich Industrierobotik aus?
2. Ein wichtiger Trend in der Automation ist künstliche Intelligenz (KI). Welche KI-Anwendungen sehen Sie in der Robotik?
3. Robotik ist eine der Schlüsselkomponenten der Industrie 4.0, und ihre Implementierung nimmt weiter zu. Ein wichtiges Thema ist die Sicherheit. Wie lässt sich die Cybersicherheit von Robotern verbessern, die in der Infrastruktur der Betriebstechnologie (OT) eingesetzt werden?

1. Durch Corona hat sich die Nachfrage nach Produkten aus lokaler Fertigung nochmals verstärkt. Kunden erwarten eine kurze Lieferzeit ohne Störungen (siehe Containerschiff „Ever Given“), um selbst schnell auf eine sich verändernde Situation zu reagieren. Durch die mit der Pandemie verbundenen Veränderungen der Arbeitswelt haben sich Anforderungen an die Arbeitsmittel verschoben, sodass diese auch ‚remote‘ einsetzbar sind.

2. Im Bereich KI sehen wir die Industrie noch in den Anfängen beziehungsweise auf der ­Suche nach ausgereiften Anlagen und Produktionsprozessen. Neben ersten erfolgreichen Einsätzen von KI in der industriellen Bildverarbeitung gibt es einige weitere, interessante Ideen, die sich aber noch mehr oder weniger im Stadium der Entwicklung befinden. Aktuell gibt es viele Anfragen nach flexiblen, sich selbst konfigurierenden Produktionsanlagen, aber auch der Bereich Materialtechnik und additive Fertigung sind vielversprechend.

3. Der Controller der Epson-Roboter läuft in vielen Fällen autark und ist nur über sichere industrielle Schnittstellen mit der übergeordneten Betriebstechnologie verbunden. Hier müssen Maßnahmen zur Cybersicherheit beachtet werden, was beispielsweise durch die momentane Entwicklung der Interoperabilität mittels OPC UA unterstützt wird.
Kritisch sind hier ebenfalls die gesammelten oder berechneten Prozess- und Produktdaten sowie die während des Prozesses übertragenen Spezifikationen. Das Thema Sicherheit genießt bereits heute in der Automation und Robotik einen hohen Stellenwert. Das wird sich zukünftig mit fortschreitender Anlagenkomplexität sicher noch erhöhen.

1. Vor allem in der Produktion sehen wir eine hohe Nachfrage nach Cobots und digitalen Technologien für die Wartung und Überwachung von Anlagen. So bietet die Hahn Group bereits Fernwartungslösungen an oder ermöglicht die virtuelle Inbe­triebnahme. Mit diesem System können Kunden ihre neue Anlage im virtuellen Raum testen und besichtigen, bevor das erste Teil überhaupt gefertigt wurde. Auf diese Weise lassen sich bereits während der virtuellen Testphase generierte Erfahrungswerte in die weitere Konstruktion und Entwicklung der Anlagen einbinden, wodurch eine flexiblere und effizientere Fertigung gelingt.

2. Während Roboter heute noch oft für sehr repetitive Aufgaben zum Einsatz kommen, werden sie in Zukunft vielfältigere Einsatzmöglichkeiten bekommen. Dies lässt sich in Form von verbesserter Bilderkennung und -verarbeitung umsetzen oder mit der Weiterentwicklung von Sprachsteuerung und Sensorik. Indem Roboter Objekte fühlen und greifen oder Umwelteinflüsse erkennen, sind sie in der Lage, effektiver und sicherer mit Menschen zu arbeiten.
Der Roboter der Zukunft wird also zunehmend zum Assistenten für Mitarbeitende in der Produktion.

3. Fest steht, dass man die Thematik im Unternehmen und auch im allgemeinen Industrieumfeld priorisieren muss. Cybersicherheit wird zum festen Bestandteil aller ­Betriebs- und Produktionsprozesse, wofür neues Know-how und kompetente Partner in der Umsetzung erforderlich sind.
Bereits im Design sollte die Schnittstellengestaltung und Absicherung berücksichtigt werden, was auch als „Security by ­Design“ bekannt ist. Mit EVE Protect bietet Hahn Digital ein Cybersecurity-Portfolio an, das Unternehmen bei der sicheren Vernetzung und Überwachung ihrer Anlagen unterstützt.

Pandemie und Homeoffice schaffen mehr Bedarf

1. Der allgemeine Trend hin zum Homeoffice bleibt häufig auch in der Produktion nicht ganz ohne Folgen. Dort ist vor allem ein verstärkter Trend hin zu mehr Ferndiagnose festzustellen. Vor allem auch die Roboter, wie auch andere Komponenten, sollen immer öfter den ‚selbst‘ festgestellten Bedarf einer vorbeugenden Wartung melden.

2. Das Roboter ihren Bedarf an einer vorbeugenden Wartung selbstständig melden, ist bereits eine erste Anwendung für Robotik und KI in der Produktion. Durch die Zusammenarbeit von Sensoren und Algorithmen lässt sich auch bei sehr stark variierender Auslastung eine präzise Aus­sage über den aktuellen Verschleiß der Roboter erzielen. Dadurch trägt KI bereits heute zu einer Steigerung in der Produktion bei.

3. Cyber-Vorfälle sind mittlerweile das größte Geschäftsrisiko für Unternehmen. Auch in der Produktion gibt es zahlreiche Ziele für Industriespionage oder Manipulationen. Produktionsanlagen sind – im Gegensatz zur Büro-EDV – nicht selten über Jahrzehnte im Einsatz. So wird bereits für eine Ferndiagnose von einzelnen Komponenten wie Robotern, immer eine sichere Verbindung notwendig sein – ebenso eine detaillierte Rechte­vergabe für alle Zugriffsberechtigten wie auch eine aktuell gehaltene Software. Vor allem die Versorgung mit Software-Updates muss über die gesamte Lebensdauer der Produktionsanlage ­sichergestellt sein. Bei all dem muss sich die Cybersicherheit nicht nur auf die Hardware, sondern auch auf die anfallenden Daten beziehen. Alle klassischen Grundwerte der Informations­sicherheit (Vertraulichkeit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit) sollen immer gemeinsam beachtet werden – auch wenn sich diese im Produktionsumfeld häufig konträr gegenüberstehen.

1. Neben dem Einsatz in der Produktion kommen Robotiksysteme auch immer häufiger in der Logistik zum Einsatz. Die weitreichenden Beschränkungen im stationären Handel verlagerten erhebliche Teile des Konsums in den Online­handel. ­Somit stiegen die Anforderungen in puncto Lieferzeit, und Kunden bestellen immer häufiger – und das in kleineren Einheiten. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, arbeiten deshalb viele ­Logistikzentren mittlerweile nahe­zu rund um die Uhr. Dafür bedarf es einer entsprechenden Personalplanung, insbesondere im Mehrschichtbetrieb. Personal ist mittlerweile jedoch der limitierende Faktor, weshalb Unternehmen auf der Suche nach auto­matisierten Systemen sind, wie dem mobilen Kommissionier-Roboter LUKE2. Er lässt sich sehr einfach in bestehende Anlagen einbinden und übernimmt Pick-Aufgaben eigenständig und selbstlernend. Und das wahlweise ergänzend zum Menschen oder in Eigenregie – am Arbeitsplatz des Kommissionierers.

2. Für die autonome Kommissionierung wird seit Jahren intensiv an Lösungen geforscht, einschließlich des ­KI-Einsatzes. Bezogen auf die Pick-by-Robot-Lösung ‚LUKE2‘ betrifft das insbesondere zwei Themenbereiche: Zum einen die Bild­erkennungs- und Bildverarbeitungssoftware, in die Deep-Learning-Mechanismen integriert sind, um autarkes Arbeiten zu ermöglichen. Und zum anderen Cognitive Robotics. Hier geht es um eine spezielle Form von Machine Learning.

3. Hacker erhalten durch diese Komponenten neue Angriffs­punkte, die sich auf die physische Sicherheit des Roboters und auf die Sicherheit des Systems ausdehnen. Daher kommt diesem Thema in unseren Projekten eine hohe Priorität zu – bereits bei der Auswahl der Hardware und der Entwicklung der Software.

1. In Zeiten von Corona-Pandemie, Fachkräftemangel und Effi­zienzbestrebungen geht der Trend zur Automatisierung in eine neue Runde. Unternehmen und Hersteller suchen nach Möglichkeiten, manuelle Tätigkeiten mit Robotik umzusetzen. Neben der Vollautomatisierung von Prozessen wird auch nach Möglichkeiten gesucht, die Mitarbeiter zu entlasten, ihnen körperlich schwere und wiederholbare Tätigkeiten durch Roboter abnehmen zu lassen und gleichzeitig das Expertenwissen der prozesserfahrenen Bediener im Unternehmen zu erhalten.

2. Die Reduzierung menschlicher Fehler und Maschinenstillstandszeiten sind Schlüsselpunkte, um die Effizienz der Produktion zu steigern und die Produktqualität ständig zu verbessern. Insbesondere mit dem Wechsel von der Massenproduktion hin zu Losgröße 1 ist es wichtig, Ausfallzeiten und Fehlerraten trotz der geforderten hohen Flexibilität auf ein Minimum zu reduzieren. Intelligente Sensorik, KI sowie Lernalgorithmen können Maschinenführern helfen, bei jeder Umstellung das beste Ergebnis zu erzielen. Innovative Steuerungstechnik unterstützt den Mitarbeiter darüber hinaus, Hand in Hand mit Robotern und Maschinen zu arbeiten, um Manufacturing Excellence zu erreichen.

3. Ende des Jahres 2020 hat ­Omron für den Bereich seiner Industrieroboter eine neue Steuerungsgeneration, die NJ-R, in der ersten Version auf den Markt gebracht. Der große Vorteil dieser Steuerung ist, dass die Robotik und die Maschinensteuerung in einer gemeinsamen Einheit zusammengebracht wurden und die Robotik hier von den grundsätzlichen Funktionalitäten der NJ-Maschinensteuerung profitiert. So wird auch die NJ-R in Zukunft OPC UA ­unterstützen und somit eine sichere Datenkommunikation mit Software und Geräten auf Basis dieses Protokolls ermöglichen.

Robotik und KI: Aber sicher!

1. Die Pandemie kommt zu den bestehenden Herausforderungen der Fertigungsunternehmen hinzu, zum Beispiel qualifizierte Mitarbeiter in den Werkshallen zu haben. Wir ­sehen immer mehr Anwendungen, bei denen Roboter sich wiederholende Aufgaben übernehmen, speziell um die wertvollen Ressourcen von Menschen in komplexe Aufgaben zu verlagern. Dazu werden Roboter in der Vorproduktion genutzt, zum Beispiel bei der Maschinenbeschickung. Durch die zunehmende Automatisierung verlagern sich Roboter mehr und mehr in die Montage, Arbeitsvorbereitung, Verpackung und Palettierung und stellen zudem sicher, dass die Arbeiter einen Sicherheitsabstand von 1,5 Meter zueinander einhalten können.

2. KI ist nicht neu und existiert bereits seit vielen Jahren in verschiedenen Disziplinen. Neu ist, dass Rechenleistung und Systeme wie Bildverarbeitung und Sensorik jetzt miteinander verbunden und robust genug für die industrielle Automatisierung sind. Kostengünstige Komponenten wie Bildverarbeitung und Sensorik mit eingebetteter Intelligenz, die einfach zu verwenden und für industrielle Anwendungen einsetzbar sind, stellen für Fertigungsunternehmen eine große Hilfe bei der Bewältigung ihrer Automatisierungsaufgaben dar. Die Möglichkeit, solche Komponenten zusammen mit einfach einzusetzenden End-of-Arm-Tools zu verwenden, ermöglicht es Herstellern, ihre Anwendungen zu verbessern. So steigern sie die Produktivität, sind effizienter und reduzieren auch die Ausschussrate. Ergebnisse sind eine bessere Qualität und schnellere Lieferung. Das hilft allen Herstellern in ihren Märkten wettbewerbsfähig zu bleiben.

3. OT und IT wachsen mehr und mehr zusammen. Das Sicher­heitskonzept der IT hält Einzug in die OT-Infrastruktur. Mit Edge-, Fog- und Cloud-Computing werden neue Konzepte für eine sichere OT-Infrastruktur entwickelt, in der Roboter und intelligente Tools wie OnRobot-Produkte zur Maximierung der Gesamtanlageneffizienz (OEE) in der Fertigung zum Einsatz kommen. Häufiger trifft man auch auf kollaborative Anwendungen in der Mensch-Roboter-Interaktion.

1. Im Bereich Industrieroboter ist dies aktuell noch nicht so stark der Fall. Der wesentliche Beschleuniger in diesem Bereich ist der Mittelstand. Durch die Akzeptanz und Anwendung von Industrierobotern werden hier ganz neue Einsatzbereiche und Weiterentwicklungen denkbar und möglich. Dieser Prozess ist jedoch mit Ausdauer und Fleiß verbunden.

2. KI in der Robotik ist ein wesentlicher Baustein, damit Roboter in kleinen und mittelständischen Unternehmen noch effektiver zum Einsatz kommen. Besonders in diesen Unternehmen kommt es auf ein maximales Maß an Flexibilität und Varianz an. Robotik und KI ist das Werkzeug, um komplexe händische Prozesse wirtschaftlich und ­zukunftsorientiert zu automatisieren.

3. Für uns bei Toolcraft ist dieses Thema sehr wichtig; daher setzen wir auf innerbetriebliche Richtlinien, klar definierte Programmbausteine und sichere Komponenten. Dennoch muss die Cybersicherheit in der Industrie ernst genommen und strukturiert verbessert werden.

Die Fragen stellte Rainer Trummer, Chefredakteur Digital Manufacturing.

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