Wirtschaftlichkeitsanalysen neuartiger Servicerobotik-Anwendungen und ihre Bedeutung für die ...

371 Pages·2011·9.65 MB·German

Martin Hägele | nikolaus BlüMlein | oliver kleine
effiroB
eine analyse der fraunHofer-institute iPa und isi i M auftrag des BMBf
Wirtschaftlichkeitsanalysen
neuartiger Servicerobotik-
Anwendungen und ihre Bedeutung
für die Robotik-Entwicklung
efficient innovative service-roBotics | effiziente innovative serviceroBotik
Martin Hägele | nikolaus BlüMlein | oliver kleine
effiroB
eine analyse der fraunHofer-institute iPa und isi i M auftrag des BMBf
Diese Analyse wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Die Verantwortung für den
Bildung und Forschung (Kennzeichen 01IM09001) zwischen Inhalt dieser Studie liegt bei den
dem 1. Dezember 2009 und dem 30. November 2010 durch Autoren, stellvertretend:
die Fraunhofer-Institute IPA (Stuttgart) und ISI (Karlsruhe)
erstellt. Martin Hägele
Fraunhofer-Institut für
Das BMBF war an der Abfassung der Aufgabenstellung und Produktionstechnik
der wesentlichen Randbedingungen beteiligt. Die Studie wur- und Automatisierung IPA
de durch den Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und www.ipa.fraunhofer.de
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bedanken sich für die hervorragende Zusammenarbeit. D-70569 Stuttgart, Germany
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2
1 einleitung 2 MetHoden 3 szenariensteckBriefe 4 gesaMtfazit 5 anHang
nutzung des dokuMents
aufbau
Einl Eitu ng szEnariostEckbriEfE gEsamtfazit anhang 1 EINLEITUNG 2 METHODEN 3 SZENARIOSTECKBRIEFE 4 GESAMTFAZIT 5 ANHANG
01 02 03 04 05 06 07 08
mEthodEn
 KURZÜBERSICHT ÜBER DIE METHODE „AXIOMATIC DESIGN“ (AD) 000222
01 03 04 05 06 07 08
MMMEEETTTHHHOOODDDIIISSSCCCHHHEEE KKKOOONNNZZZEEEPPPTTTIIIOOONNN VVVOOONNN SSSEEERRRVVVIIICCCEEERRROOOBBBOOOTTTEEERRR---SSSYYYSSSTTTEEEMMMEEENNN AAAUUUFFF BBBAAASSSIIISSS DDDEEESSS AAADDD
bewertung der funktionserfüllung
1 System Range liegt innerhalb Design Range: volle Anforderungserfüllung  1111 AAAAUUUUSSSSWWWWAAAAHHHHLLLL UUUUNNNNDDDD CCCCHHHHAAAARRRRAAAAKKKKTTTTEEEERRRRIIIISSSSIIIIEEEERRRRUUUUNNNNGGGG DDDDEEEESSSS ZZZZUUUU AAAAUUUUTTTTOOOOMMMMAAAATTTTIIIISSSSIIIIEEEERRRREEEENNNNDDDDEEEENNNN DDDDIIIIEEEENNNNSSSSTTTTLLLLEEEEIIIISSSSTTTTUUUUNNNNGGGGSSSSSSSSZZZZEEEENNNNAAAARRRRIIIIOOOOSSSS
TSoysleteramn zR aFRnig =e FDuenskigtnio nRsaenrgfüel l uDnPFgi Ri EüTiobnleserprpaarnrüuzf nengnus,t mzeönglichkeiten
2 Üunbseicrshcehrnee Fiduennkdtieo nDseesrifgünll uRnagnge, System Range:
TSoysleteramn zR aFRnig =e F=Du eCnsokigtmniom nRsoaennrg fRüeallnugnFegRi EPvanarrtiasiecmrheeentied (reF nsRidin oedd Dzeure sDigPni)
3 NkeicinhTSetoy üsFletuberneamrkns tzcRio haFnnRnseig e=iedr f eünlldukFDenuee ginDsnkieegts niiog nRnsa eRnragfnüeglluen, FgSRyistem RKEgzaurrofun ümünglblpdeue:lsne räptgttzrseümlsicf eöRhnge dlicehsiegitn, AKaupsgiteewlüäbhelrtsecsh Krifatp diteesl „au2s Mgeewthäohdlteenn” K (aKpaipteitles l(eKbaepniete 1le)bene 2)
Ambebteilrd DunPgi) i8m: BAexwioemrtautnicg Ddeesri gFnunktionserfüllung einer Lösung (Design Para- 1 Auswahl und Charakterisierung des zu automatisierenden
DienstleistungssNzeunmamrieors des Unterkapitels (Kapitelebene 2)
Überschrift (Kapitelebene 3)
Das Vorgehen nach der Methode des Axiomatic Designs für Hilfsmittel 1: Anwendungs- und Sequenzdiagramm
die Konzeption von Serviceroboter-Systemen erfordert die zur Modellierung von Arbeitssystemen
22 Bereitstellung typischer Hilfsmittel, die dem Techniker Wissen
Weitere Unterteilungen (niedrigere Kapitelebenen) sind durch
z.B. in Form von Modellen, Lösungskatalogen, Beispielen und Die Automatisierung des Dienstleistungsszenarios setzt die
Software-Werkzeugen zur Hand gebÜenb. eInrsgsecsahmrti f1t0e Hnilf si-m TeKxentn atnliss deeri nProfazecsshe,e d eÜr Pbroezersssacbhläruiffet u nmd ealermkeinetarrte.r
mittel H1 bis H10 werden für die verschiedenen Phasen und geometrischer Vorgaben voraus. Dies wird mithilfe eines
Aufgaben des Entwicklungsprozesses im Folgenden vorgestellt Arbeitssystem-Modells erfasst. Ein Arbeitssystem ist nach REFA
und in den Steckbriefen angewandt: wie folgt definiert und in Abbildung 2-2.1 als Modell in der
• Auswahl und Charakterisierung des zu automatisierenden OPM-Notation dargestellt.15
Szenarios bzw. der geplanten Serviceroboter-Anwendung • Das Arbeitssystem besteht aus Arbeitsaufgabe, Arbeits-
(siehe Customer Domain, Ausloten der Kundenanforderun- objekt, Betriebsmittel, Mensch/Werker und Umgebung.
gen, Abbildung 2-1.1). • Der Arbeitsablauf ändert die Arbeitsaufgabe von „unbeen-
• Funktionale Analyse zur Extraktion der Anforderungen FR det“ nach „beendet“.
i
gliederung der szenariensteckbriefe in 6 fkür adaps iLtaseteln:heft. • Der Werker führt den Arbeitsablauf aus.
• Der Werker nutzt Betriebs- oder Arbeitsmittel.
Lösungsprinzipien DP und Gesamtkonzeption sowie tech- • Der Arbeitsablauf erfordert Arbeitsobjekte bzw. Betriebsmittel.
i
Die Gliederung ist durch Icons auf der rechtennisc hSee uintde w girtesckhaeftnlicnhe- Bewertung des Serviceroboter-
Systems. Für die Modellierung ist es unwesentlich, ob es sich bei dem
1 einleitung 2 methoden 3 SzenarioSteckbriefe 4 geSamtfazizteichnet und die5n eann ghleainchgzeitig der Navigation durch den Arbeitssystem um einen Montagearbeitsplatz oder eine
jeweiligen Steckbrief. Durch Expertengespräche erfolgt die Auswahl eines Szenarios Dienstleistung handelt.
innerhalb der betrachteten Zielmärkte, siehe Kapitel 2.4.1,
sowie die Formulierung der Hauptanforderungen und -Funk- Das bestehende oder herkömmliche Arbeitssystem wird hier
01 tionen. Mithilfe eines Anwendungsfall-Diagramms erfolgt die als Ausgangsszenario bezeichnet, das durch Robotereinsatz
02 03 04 05 06 07 08 09 10 11
intuitive Modellierung der Hauptfunktionen, der Akteure und modifizierte Arbeitssystem als Serviceroboter-Szenario.
1 einleitung 2 methoden 3 SzenarioSteckbriefe 4 geSamtfazit 5 anhang
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 Grenzen eines Systems. Akteure sind definitionsgemäß nicht
auSSenanlagenwartung a u2S SSeYSnTEaMnKOlNaZEgPTeEnwartung nur beteiligte Personen, sondern können auch Systeme oder Das Anwendungsfall-Diagramm (Use Case) stellt keine Ablauf-
Systemkomponenten und dergleichen sein. beschreibung dar, im Gegensatz zum Sequenz-Diagramm, das
1 Kurzbeschreibung des Anwendungsfalles
den Arbeitsablauf visualisiert und somit Zeit- und Mengenge-
 2 SYSTEMKONZEPTE rüste in Arbeitssystemen erfassen hilft. Zweckmäßigerweise
2Z••••fFVeAAacdRhsbe aee.nn6 FKAN anreshdbt3fa.ttrrtarar1üaear)i rhmmge voffa gnuirüüisbenlgguswzeetrrs si ea nre s 1leedteHaecstgn0eiriiestihnaonks et ylnset krlz nrslgtu:db l Waeet asMenFwreuslluellüeg myätgoatLi rs t noe(ehdr kteFdedm eiuosRseakime telsn aAreoug2t dtt eEmnnä,ihüwst rgngFäb cfpeüeRg hlaeofttbl ieü.rrwlgn3 unoenrEee)an etk. idsnn B ghoaF 3et Fe mümgem0naatrner l he l0iBpeMde enrs0eiogrebg i atn0dnenB rnrud asi aekeEeBtmbstnebute,ieeslg r ttliddsoa re ee diaue.Genr risrüfDbfe e gosWa aratsmruäseodbe tctineGe tr hmk wrsnFe ltzim aire ce(tmähFhr uo2tdRr,a gde 0em dn1eurn a kuu ,lg.za sW esFiuM rbslRmelr et  e 2i n-,- BmsIckiDgGgmbrI••nsPia eeeuntoaar6kee. 6Ttduendf vbml7rtrru1ü iianaroga gDeo ais5rseegdgersnn itO u  imveir.zslaen0use asaeäunFStlrtg0 nosl tsrd ieaEteezee0g (dy eEmzirilt sm  nuniss.mirwEucenB tib leuhinAtendehan.:a zr dd iS gämdwtPaoueF1 t urürue .S ew5aai:oEusrsr scnn rudiFfi etn0 hgttdddeün re-dh0nnddenVaergc 0aiu anerrAsath dl d nt vntn rEnRn1siAeo iaegu.otSoip0n cken r rKt-bAam h fo li Fkalbüfeoas eu.otgIu senrtuP kkscu izcknk6sdwaauunhag 7wmensemag ne ndniegh5e nng ai reler2SEgeta tna ed tie0ein(nWn eizes dmg gsus T.esiünBaiieeetV inntetbKz.n rk dLzSttrlNJ,a , iee otcws imddaemlScihhgnaacuheoeene dhbsrennFrrbd s.tearrD ey seeRueDizsr,i:enr.i nyocwi e 1ee shDfgbun8ertü t oKeien ief9krw mtuo dBsoI edTEens iessrcziRtu ektaw ewhMeAfr trnütOoinemeCoio rg)- did n. ds) .FK a.ioi un eRfa-ül  e-1r 23 S Wysirttesmchkaofntlzicehpkteei twLu(esnhebdareid ePnnersnroali zndlaeiyieesusns Ke esg odeg:muw repscäohwhen lPter fänuvetnihileedcnl edt dda)ererrogse enAbs rItnboetellettitr,es asskriyetslihöoteenm s Abusbz abgnlilsl.gd KNu oanvpcghef 2rdri-ces2hr.u t2e.sn status quo
automatische wartung und inspektion von aussenanlagen
Akounsstreonllaienrleange WGboeadlräetnendnse d-es Bhlbäeaenwlabdru ebdbceehoitssde Gneoneb-se r- ABeuftaohnroemnes
RSFzoReb n1uesntea nalyse KrmFäReuah hm2rdeenn,, SGchranse-e HLBsFcaäRehuuc n3bkme ebeindl asecsnhenn,it t, SoRu tPdloatotrform, FR 4 NStaevuigearutinogn, 4 Marktdaten 15 REFA Verband für Arbeitsstudien und Betriebsorganisation e. V. (Hrsg.):
FR 1.1 FR 2.2 FR 3.2 FR 4.1 FR 4.2 Methodenlehre der Betriebsorganisation: Lexikon der Betriebsorganisation.
BOerebkkjeeanknntneet ne UÄernnkbdeeenkrnuaennngneten FRaSKMafüRbcueeähh alfh2eh rnkrAei.wtwte2nebieo.eans1snrltczka he n,ild d , FIAszPRceu6hu t27ego.rw2m W.e2acetihr-kse-l FM(2rgaWFsaRlu,eeeu5ae escx3nmmrtihikga.bi2ps) zunioØ l.euAsie1utu cltäacAth gthdtvrbeiosbooaneneonrni er t-,ns - FAvzRoeuu ns3g g.Fn2laee.hi2cirgh-u ng FGRe l4ä.n1d.1egängigFAlRzeReänisu ut4tgrmu.ie1enwb.g2se -frükr- FRSFnRrcouoh bn4snugt.,e2s eBt.1 ,eg Rseoegnge-enn , F2R-D 4 .+2/.-2 3 cm 5 Fazit München: Carl-Hanser, 1993.
FR 1.1.1 FR 1.1.2 FR 1.1.3 FR 1.1.4 FR 1.1.5 22
abb. 3-1.6 Axiomatic Design – Functional Requirements
64
6 Anhang
2.6.1 zentrale hardwarekomponenten Bedienung und enthalten auch die Winkelgeber für die Odo-
3
metrie. Sie sind Schnittstelle zum Steuerrechner. Diese Module
Zentrale Hardwarekomponenten sind sind aus der Agrartechnik bekannt (z.B. John Deere ITRAC).
• Fahrgestell Inklusive Einbau und Anpassung an die Steuerung kosten sie
• Kamerasystem ca. 15 000 Euro.
• Arm kamerasystem: Für die Auswahl des Kamerasystems für FR 1
• Navigationssystem ist vor allem die Eignung für den Einsatz im Freien wichtig.
Dafür ist eine Standard Stiftkamera mit Nachtsichtfunktion
fahrgestell: Für die Erfüllung aller Basisaufgaben (FR 1, FR 2, geeignet (z.B. Profi-Vario-Focus 520 TVL, Sony, 189 Euro).
FR 3) ist ein geländegängiges Fahrgestell erforderlich, das min- Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass zwei Bewe-
destens 10 kW Leistung für den Betrieb der Werkzeuge zur gungsmodule aus der Robotik eingesetzt werden und zwei Ka-
Verfügung stellt (FR 2, FR 3). Für den Betrieb mit Fahrer gibt meras zur Einhäusung nach IP67 geeignet sind. Die Kosten dafür
es dafür ein breites Angebot am Markt, das auch modulare betragen etwa 15 000 Euro.
Anbauwerkzeuge enthält. Ein geeignetes Gerät mit 20 kW roboterarm: Für den Arm kann ein üblicher Roboterarm in
Antriebsleistung kostet etwa 30 000 Euro. Das Gerät muss IP67 eingesetzt werden. Kennwerte sind dabei:
aber für den automatischen Betrieb umgerüstet werden. Me- • 6 DOF
chatronische Module übernehmen dabei die sonst manuelle • Traglast mindestens 10 kg
automatische wartung und inspektion von aussenanlagen
Aussenanlage Warten des Bewuchs ober- Autonomes
kontrollieren Gelände- halb des Ge- Befahren
bodens ländebodens
bearbeiten
FR 1 FR 2 FR 3 FR 4
Robuste Kehren, Schnee Heckenschnitt, SR Plattform, Navigation,
Szenenanalyse räumen, Gras- Laub blasen, outdoor Steuerung
mahd Bäume
schneiden
FR 1.1 FR 2.2 FR 3.2 FR 4.1 FR 4.2
Schneeschild, Automati- Manipulation Ausgleich Geländegängig Antriebs- Robust gegen 2-D +/- 3 cm
Kehrwalze, scher Werk- (sechs Achsen, von Fahr- leistung für Schnee, Regen,
Mähwerk zeugwechsel 2,5m Ø Arbeits- zeugneigung Räumwerk- Frost, Beson-
auf Abstand raum)outdoor- zeuge nung
führen geeignet von
austauschbaren
Werkzeugen
FR 2.2.1 FR 2.2.2 FR 3.2.1 FR 3.2.2 FR 4.1.1 FR 4.1.2 FR 4.2.1 FR 4.2.2
Bekannte Unbekannte Reaktion IP67 Flexibilität
Objekte Änderungen ableiten
erkennen erkennen
FR 1.1.1 FR 1.1.2 FR 1.1.3 FR 1.1.4 FR 1.1.5
abb. 3-1.6 Axiomatic Design – Functional Requirements
64
1 einleitung 2 MetHoden 3 szenariensteckBriefe 4 gesaMtfazit 5 anHang
nutzung des dokuMents
navigation
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• Pfeiltasten auf der Tastatur
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fußnoten
Werden durchgezählt für:
• die Kapitel 1 und 2 (Einleitung, Methoden)
• die einzelnen Steckbriefe in Kapitel 3
• die Kapitel 4 und 5 (Gesamtfazit)
4
1 einleitung 2 MetHoden 3 szenariensteckBriefe 4 gesaMtfazit 5 anHang
inHaltsverzeicHnis
Inhalt
Nutzung des Dokuments .............................................3 2.8.2 struktur eines szenariosteckbriefes ............................62
inhaltsverzeichnis .........................................................5
Executive summary ......................................................7 3 szenariensteckbriefe ..............................................65
3.1 Außenanlagenwartung ..............................................66
1 einleitung ..................................................................9 3.2 bereitstellen von Pflegeutensilien ...............................86
1.1 situation des Zukunftsmarktes „serviceroboter“ ..........9 3.3 bewegen von Personen in der Pflege ........................113
1.2 Zielsetzung ................................................................13 3.4 Bodenfrüchteernte ...................................................139
1.3 Vorgehensweise .........................................................14 3.5 Bodenreinigung .......................................................164
1.4 Auswahl möglicher Einsatzgebiete und Festlegung 3.6 Containertransport im Krankenhaus .........................188
von szenarien in Zielmärkten .....................................16 3.7 Fassadenreinigung ...................................................212
3.8 innenausbauassistenz ..............................................233
2 Methoden ................................................................17 3.9 Kanalinspektion .......................................................256
2.1 Kurzübersicht über die Methode 3.10 Milchviehwirtschaft ..................................................276
"Axiomatic Design" (AD) ...........................................19 3.11 Produktionsassistenz ................................................296
2.1.1 Zig-Zagging ...............................................................20
2.2. Methodische Konzeption von serviceroboter-systemen 4 gesamtfazit szenarioübergreifende
auf Basis des AD ........................................................23 zusammenfassung und implikationen ................319
2.2.1 Auswahl und Charakterisierung des zu automatisieren- 4.1 betriebswirtschaftliche Perspektive ...........................320
den Dienstleistungsszenarios ......................................23 4.1.1 Übersicht zu den Marktpotenzialen ..........................320
2.2.2 Funktionale Analyse des Ausgangsszenarios ...............25 4.1.2 Zusammenfassende Beurteilung der
2.2.3 Konzeption des serviceroboter-systems ......................32 Marktpotenzialanalyse .............................................327
2.2.4 Strategien der Variantenbildung .................................37 4.2 Technische Perspektive .............................................329
2.3 schätzung von Kosten und Reifegraden der 4.2.1 Sicherheit ................................................................329
Systemkomponenten .................................................38 4.2.2 Mechatronische Schlüsselkomponenten ...................333
2.3.1 Technology Readiness level ........................................38 4.2.3 Software-Kosten ......................................................337
2.4 Erhebung der Life Cycle Costs durch Informations- 4.2.4 Zusammenfassende beurteilung der verwendeten
gespräche und Vorortaufnahmen ...............................45 Komponenten und Technologien .............................338
2.4.1 interviews ..................................................................45 4.3 Forschungsbedarfe ..................................................340
2.5 Marktstrukturanalyse ..................................................... 4.3.1 Vorrangige Schlüsselfunktionen der betrachteten
2.5.1 Marktpotenziale: life cycle costing, lcc-Tool und serviceroboter-Anwendungen ..................................341
Marktstrukturanalyse .................................................46 4.3.2 Abhängigkeiten innerhalb der servicerobotik-
2.5.2 life cycle costing: Methodische Hintergründe ...........48 Schlüsselkomponenten ............................................342
2.5.3 Methodik ...................................................................50 4.3.3 Forschungsbedarf für betrachtete serviceroboter-
2.5.4 Das „SR-LCC-Tool“ ....................................................53 Schlüsseltechnologien ..............................................346
2.6 Marktstruktur- und Potenzialanalyse ..........................56 4.3.4 Forschungsbedarf in bezug auf ein effizientes systems
2.7 Abschätzung Skalenökonomischer Effekte .................58 Engineering für serviceroboter-Anwendungen .........351
2.8 szenariobearbeitung ..................................................60 4.3.5 Zusammenfassende Beurteilung der
2.8.1 Zusammenfassung der Methoden und ihre Forschungsbedarfe ..................................................353
Anwendung in den Steckbriefen ................................61
5
1 einleitung 2 MetHoden 3 szenariensteckBriefe 4 gesaMtfazit 5 anHang
inHaltsverzeicHnis
5 anhang ..................................................................355
5.1 Kinematik-Katalog ...................................................355
5.2 Komponentenkatalog ..............................................356
5.3 Software-Kostenbewertungstabelle ..........................359
5.4 EFFIROB Glossar .......................................................361
5.5 Ausgewählte, wichtige Abkürzungen .......................365
5.6 Gesprächsleitfaden ..................................................366
5.7 Über die Autoren .....................................................368
6
1 einleitung 2 MetHoden 3 szenariensteckBriefe 4 gesaMtfazit 5 anHang
executive suMMary
Im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung • Innenausbauassistenz
(BMBF) haben die Fraunhofer-Institute für Produktionstechnik • Kanalinspektion
und Automatisierung iPA und für system- und innovations- • Milchviehhaltung
forschung isi im Zeitraum vom Dezember 2009 bis November • Produktionsassistenz
2010 neuartige servicerobotik-Anwendungen entwickelt und
deren Bedeutung für die Robotikentwicklung aus einer tech- Die in dieser studie entwickelten serviceroboter-Konzepte
nischen wie wirtschaftlichen Perspektive heraus analysiert. Ziel unterscheiden sich zum Teil erheblich voneinander – und
war es dabei, bewusst über eine rein konzeptionelle Betrach- zwar nicht nur hinsichtlich der ihnen zugrunde liegenden
tung hinauszugehen und insbesondere die technische und die technischen Ausführung, sondern auch und insbesondere
wirtschaftliche Machbarkeit der servicerobotik-Anwendungen hinsichtlich ihrer betriebswirtschaftlichen Bewertung. Dement-
anhand von konkreten szenarien aufzuzeigen bzw. zu sprechend lassen sich folgende Kernbotschaften aus diesen
analysieren. Weiterhin sollten aus der Gesamtbetrachtung beiden Perspektiven zusammenfassen:
der serviceroboter-szenarien Forschungs- und Entwicklungs-
bedarfe zur Verbesserung von Kosten-Nutzen-Relationen bzgl. Aus technischer Sicht wurden Forschungsbedarfe für die
Schlüsseltechnologien, Komponenten und Systementwick- servicerobotik gehäuft in den bereichen Wahrnehmung,
lungsprozessen abgeleitet werden. Navigation und Manipulation identifiziert, meist im Zusam-
menhang mit bislang unbefriedigend gelösten Software-
Zu diesem Zweck wurde ein umfangreicher Methodensatz Problemen. Hardwareseitig fehlt im Wesentlichen nicht die
samt dazugehörigen Softwaretools entwickelt, die Entwicklern Technik (invention) in Form von schlüsselkomponenten,
und Anwendern mit technischem Grundverständnis eine sondern deren kostengünstige Verfügbarkeit (innovation).
kalkulatorische Entscheidungshilfe ihres Engagements in Demnach erscheinen mit heutigen Technologien die meisten
Anwendungsbereichen der servicerobotik zur Verfügung Anwendungen technisch, aber nicht unbedingt wirtschaftlich
stellen. Der Kern der Methoden basiert auf praktischen, machbar. Die sich daraus ergebenden Postulate für zukünftige
ingenieurwissenschaftlichen und betriebswirtschaftlichen Forschungsbedarfe sind im Einzelnen:
Methoden – insbesondere dem Axiomatic Design (AD) sowie • Die Wahrnehmung ist erwartungsgemäß zentrale und wich-
der lebenszyklusorientierten Kostenanalyse (LCC), welche tigste Funktion in der gewerblichen servicerobotik, die mit
gewährleisten, dass die Bedürfnisse der Anwender und die anderen Technologien in Abhängigkeit steht. Da Verbesse-
technologische Machbarkeit vor dem Hintergrund der Wirt- rungen in der Wahrnehmung vielverzweigte Auswirkungen
schaftlichkeit in adäquater Weise zusammengeführt werden. in weitere Schlüsseltechnologien der Robotik haben (z.B.
Navigation, sicherheit, Mensch-Maschine-interaktion),
Exemplarisch untersucht wurden 11 neuartige Anwendungen sollten Forschungsanstrengungen in die Richtung gelenkt
von servicerobotern, sog. serviceroboter-szenarien: werden, zukünftig schneller, zuverlässiger und in größerer
• Außenanlagenwartung Anzahl Objekte und Situationen unter Alltagsbedingungen
• bereitstellen von Pflegeutensilien erfassen zu können.
• bewegen von Personen in der Pflege • Um die Navigation von autonom mobilen servicerobotern
• Bodenfrüchteernte zu verbessern, sollte die Robustheit von bahnplanung und
• Bodenreinigung Selbstlokalisierung erhöht werden, um die Anfälligkeit
• Containertransport im Krankenhaus gegenüber dynamischen störgrößen, wie sie im betriebs-
• Fassadenreinigung alltag vorzufinden sind (z.b. wechselnde lichtverhältnisse,
7
1 einleitung 2 MetHoden 3 szenariensteckBriefe 4 gesaMtfazit 5 anHang
executive suMMary
Witterung) zu senken. Insbesondere Ausrüster mobiler bei den Herstellern und integratoren von servicerobotern.
Robotersysteme fordern zur weiteren Anwendungser- Vielfach übersteigen Umfang und Risiko der für typische
schließung Navigationsverfahren mit Verfügbarkeiten nahe serviceroboter-systeme benötigten software die Erfahrung
100% unter Alltagsbedingungen wie z.B. in öffentlichen und die Ressourcen der potenziellen Ausrüster. Dem ließe
Umgebungen, Hallen und Gebäudefluren. sich entgegenwirken, indem öffentliche Repositories mit
• Die Fähigkeit zur physischen Interaktion mit Objekten (Ma- standardisierten und wiederverwendbaren Komponenten
nipulation) ist eine schlüsseltechnologie für die Erschließung zur Verfügung gestellt und gefördert werden, um durch
neuer Anwendungsfelder in der servicerobotik. Das Greifen kooperatives software-Engineering Kosten und Risiko zu
von objekten ist dabei eine häufig vorkommende (Teil-)Auf- reduzieren.
gabe, daher sollten Verbesserungen in Greifgeschwindigkeit
und Griffvariabilität (Anzahl der verschiedenen greifbaren Aus betriebswirtschaftlicher Sicht lassen sich diese Kern-
Objektformen) angestrebt werden. botschaften auf Grundlage der durchgeführten Analysen
• bei Fehlverhalten oder Ausfall eines serviceroboters muss zur Abschätzung und Beurteilung der Marktpotenziale
der Mensch eine unkomplizierte Möglichkeit haben, den (für Deutschland) generell noch um Folgende ergänzen –
Roboter wieder zur gewünschten Funktionsweise über- insbesondere bzgl. solcher serviceroboter-Konzepte, für die
führen zu können, um die Akzeptanz der Robotiklösung aufgrund der betriebswirtschaftlichen Bewertung mit keiner
sicherzustellen. Ein vielversprechender, die Robustheit nennenswerten Ausnutzung des Marktpotenzials gerechnet
der Anwendung steigernder Ansatz ist die sog. „Shared werden kann:
Autonomy“, womit durch kurzzeitige Teleoperation (z.B. • Die Reduzierung der Anschaffungskosten ist in der Regel
durch online-Arbeitsplätze) oder durch ad-hoc Instruktion nicht der primäre Hebel zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit
am Roboter vor ort (z.b. durch smart Phones) gezielt eines serviceroboter-Konzepts – die häufig in diesem
Informationen und Aktionen bereitgestellt werden. Zusammenhang angeführten Skaleneffekte zur Behebung
• Die Sicherheit der Personen innerhalb des Arbeitsbereichs der Wirtschaftlichkeitsdefizite sind in den untersuchten
ist unabdingbare Voraussetzung für den Einsatz von Anwendungen von nachrangiger Relevanz im Vergleich zu
servicerobotern. Das aktuelle iso-Normenwerk bietet bereits einer Reduktion der betriebs- und/oder Wartungskosten.
eine gute Grundlage für deren Realisierung. Aufgrund ihrer • Weiterhin kann eine Entscheidungsrelevanz qualitativer
vielseitigen Einsetzbarkeit bei der Arbeitsraumüberwachung Zusatznutzen bei deutlich negativer Wirtschaftlichkeitsre-
von serviceroboter-systemen sollte daher sicherheitsgerech- lation in keinem der betrachteten Zielmärkte festgestellt
te Sensorik zur 3D-Überwachung- und Annäherungserken- werden. Folglich können qualitative Faktoren eine schlechte
nung. Wirtschaftlichkeitsrelation in der Regel nicht kippen.
• Bezüglich der Hardware (typischer Roboterkomponenten • schließlich gilt es zu beachten, dass eine gute Wirtschaft-
wie Arm, Greifer, mobile Plattform, Sensoren, etc.) lässt sich lichkeit eines serviceroboter-Konzepts nicht mit einer
feststellen, dass zwar bereits ausreichend Funktionalität für hohen Ausnutzung der ausgewiesenen Marktpotenziale
vielzählige Anwendungen vorhanden ist, jedoch bei z.T. gleichgesetzt werden darf. In einigen Märkten scheinen
hohen Kosten und gleichzeitig tendenziell eingeschränkter insbesondere fehlende Finanzierungsmöglichkeiten ein
Zuverlässigkeit aufgrund der noch jungen technischen wesentlicher Engpass zu sein – trotz positiver Wirtschaftlich-
Reifegrade. Hardware-bezogene Forschung sollte daher auf keitsrelation. Hier könnten ggf. neue Geschäftsmodelle auf
eine Verbesserung dieser Situation fokussieren. Seiten der Anbieter, die diesen Engpass adressieren (wie z.B.
• Die Entwicklung von software verursacht signifikante Kosten Betreiber-Modelle), einen Ausweg bieten.
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situation des zukunftMarktes „serviceroBoter“
Der Dienstleistungssektor weist weltweit seit Jahren im fassenden Potenzialstudie prognostiziert.2
Vergleich zu den anderen Wirtschaftssektoren ein überpro-
portionales Wachstum auf. So stieg beispielsweise in der Erste Roboter reinigen schon heute Gebäude, Verkehrswege
Bundesrepublik Deutschland der Anteil der Beschäftigten und Verkehrsmittel. In Industrieanlagen und Museen sorgen
im Dienstleistungssektor zur Gesamtzahl der Erwerbstätigen Überwachungsroboter für Sicherheit. Ebenso unterstützen
zwischen 1970 und 2009 von 43,6% auf über 70%.1 teilautomatisierte Systeme Chirurgen bei Eingriffen und das
Pflegepersonal bei der betreuung seiner Patienten. Fahrerlose
Nicht nur das steigende Pro-Kopf-Einkommen und das streben Transportsysteme übernehmen in Kliniken bereits den Trans-
nach mehr lebensqualität führen zu erhöhter Nachfrage nach port von speisen, Medikamenten und in Verwaltungsgebäu-
Dienstleistungen – in steigendem Maße werden diese zum den Botengänge. Immer mehr Roboter bewältigen gefährliche
integralen bestandteil aller wirtschaftlichen Aktivitäten und Wartungs- und Inspektionsarbeiten im industriellen Bereich, im
stehen zu anderen Wirtschaftsbereichen in komplementärer Kommunalwesen und in der Energiewirtschaft.
Beziehung.
Je nach Grad der kinematischen Beweglichkeit werden diese
Der Ausbau der Wettbewerbsfähigkeit vor allem erwerbswirt- systeme in serviceroboter-Fahrzeuge, manipulierende service-
schaftlich orientierter Dienstleistungsanbieter zielt weiterhin roboter oder im allgemeinsten Fall in mobile manipulierende
auf die Erhöhung der Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit serviceroboter unterschieden, wobei deren Komplexität und
ihrer Dienstleistungen. Während bisher überwiegend damit auch Entwicklungs-, Fertigungs- und Installationskosten
moderne Informations- und Kommunikationstechniken zur meist von ihrer kinematischen Komplexität (beweglichkeit und
Ausschöpfung dieser Potenziale eingesetzt wurden, steht Anzahl der Freiheitsgrade) abhängen.
dort immer stärker der bedarf an innovativen systemen zur
Rationalisierung von Handhabungs-, Transport- und bearbei- Aktuell sind über 200 Produktideen, Prototypen und auch
tungsaufgaben im Vordergrund. Produkte der servicerobotik für gewerbliche Anwendungen
dokumentiert. So breit das Spektrum an Dienstleistungen
Erste Untersuchungen weisen nach, dass eine teil- oder mit überwiegendem Anteil an repetitiven und physischen
vollautomatisierte Ausführung von Dienstleistungsaufgaben bewegungen (Transport, Handhabung und Führung von Werk-
neben der Wirtschaftlichkeitssteigerung Potenziale bei der zeugen und Arbeitsobjekten) ist, so vielfältig ist die Nutzung
menschengerechten Gestaltung von Arbeitsbedingungen, von servicerobotern.
bei der Qualitätssicherung und beim Ausgleich eines Arbeits-
kräftemangels erschließen hilft. Mit dem Aufkommen der Fast 80 000 derzeit weltweit eingesetzte serviceroboter-
serviceroboter seit Anfang der 90er Jahre eröffnet Systeme (SRS) in gewerblichen Anwendungen belegen
sich eine zukunftsweisende Option zur Teil- oder Vollauto- die technische und wirtschaftliche Machbarkeit der
matisierung von Dienstleistungen, die überwiegend physische Automatisierung eines weiten Spektrums an Dienstleistungs-
Tätigkeiten oder Bewegungen umfassen. Diese Potenziale, tätigkeiten (Abbildung 1-1.1), wobei mobile Plattformen
insbesondere aus sicht des sich abzeichnenden Marktes von oder serviceroboter-Fahrzeuge inzwischen einen anerkannt
servicerobotern, wurden erstmals 1994 in einer um-
2 Serviceroboter – Ein Beitrag zur Innovation im Dienstleistungswesen.
1 Zahlen zur volkswirtschaftlichen Bedeutung des Dienstleistungssektors: Teil 1 und Teil 2. Eine Untersuchung des Fraunhofer-Instituts für Produkti-
http://www.bmwi.de/BMWi/Navigation/Wirtschaft/dienstleistungswirtschaf onstechnik und Automatisierung (IPA). Gefördert vom Bundesministerium
t,did=239886.html für Forschung und Technologie, Förderkennzeichen NT 209, 1994.
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hohen technischen Reifegrad erreicht haben. Dennoch ist die • Die Einsatzzahlen von servicerobotern sowohl in den gewerb-
Durchdringung des Dienstleistungswesens mit servicerobotern lichen als auch domestischen bzw. privaten Anwendungen
sowohl hinsichtlich Einsatzbreite als auch Einsatzzahlen schlep- sind steigend (im Schnitt über 20% pro Jahr seit 2003).
pend: Erst für das Jahr 2020 bis 2025 wird ein weltweites • serviceroboter in gewerblichen Anwendungen sind
Marktvolumen prognostiziert, das dem der heutigen indust- Spezialisten mit kleinen Stückzahlen (max. wenige Tausend)
rieroboter von derzeit über 19 Mrd Us$ (ca. 13,5 Mrd Euro) in stark unterschiedlichen Zielmärkten – von der landwirt-
weltweit entspricht.3 Statistisch ergibt sich für die gewerbliche schaft bis zum Gesundheitswesen.
servicerobotik folgendes bild: • Die Ausrüsterstruktur ist heterogen: industrieroboter-
• Die servicerobotik unterteilt sich einerseits in gewerbliche Hersteller vertreiben lösungen für die chirurgie und
und anderseits in domestische bzw. private Anwendungen. Therapie, Maschinenbaufirmen nutzen Robotertechnologien
Im Bereich der gewerblichen Anwendungen sind eingesetzte zur Steigerung des Automatisierungsgrads ihrer Produkte
Technologien, Komponenten, Entwicklungsverfahren sowie (gesteuerte betonverteilermasten, Reinigungsroboter,
Produktion und Vertrieb mit denen neuartiger Industrierobo- Melkroboter, Kanalinspektionsroboter, etc.).
ter für die Produktion (z.b. Assistenz-Roboter) vergleichbar.
einsatzzahlen serviceroboter weltweit
Installierte Systeme
25 000
Verkäufe bis Ende 2009 Verkäufe 2009 Prognose 2010 – 2013
Installierte Systeme bis 2009: 76 600
Akkumulierter Wert bis 2009: 9,612 Mrd Euro
20 000 Verkaufte Systeme in 2009: 12 869
Prognose verkaufte Systeme 2010 – 2013: 79 635
Akkumulierter Wert 2010 – 2013: 8,940 Mrd Euro
15 000

10 000

5 000
0
Verteidi- Outdoor Rettung Logistik Medizin Mobile Reinigung Bau- Unter- Sonstige
gung (z.B. Land- und Plattformen wirtschaft wasser Anwendungsfelder
wirtschaft) Sicherheit allgemein
abb. 1-1.1 Einsatzzahlen und Zuwächse 2009 sowie Prognosen weltweit zur gewerbl. servicerobotik (Quelle: iFR statistical Department und Fraunhofer iPA)
3 International Federation of Robotics (IFR): World Robotics 2010 Service
Robots. Statistics, Market Analysis, Forecasts and Case Studies. September
2010; http://www.worldrobotics.org/index.php. Aktualisierte Zahlen für
2010 werden auf dieser Website ab Oktober 2011 veröffentlicht.
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