1.1 Forschungshintergrund
Mit dem rasanten Fortschritt von Wissenschaft und Technologie,intelligente FähigkeitenIntelligente Fertigung verbessert sich kontinuierlich und ist zu einem prägenden Trend in der industriellen Entwicklung geworden. So zeigen beispielsweise Daten des chinesischen Ministeriums für Informationsindustrie, dass die inländische intelligente Fertigung im Jahr 2023 ein bemerkenswertes Wachstum von 11,6 % verzeichnete – ein Beleg für die anhaltenden Anstrengungen und technologischen Innovationen des Landes in diesem Bereich. Darüber hinaus hat die Anzahl der Innovationen in Unternehmen der intelligenten Fertigung deutlich zugenommen und erstreckt sich über Sektoren wie die Herstellung von High-End-Anlagen, fortschrittliche Werkstoffe und Umwelttechnologien. Dies spiegelt die Vitalität und den tiefgreifenden Wandel der Branche wider. Dieser Trend hat nicht nur traditionelle Produktionsmethoden revolutioniert, sondern auch die industrielle Modernisierung beschleunigt und Effizienz und Qualität gesteigert. Zunehmend ersetzen automatisierte Produktionslinien und Industrieroboter menschliche Arbeitskräfte.
Mit dem Fortschritt derÄra der intelligenten FertigungDie hochautomatisierten und intelligenten technologischen Merkmale von Industrierobotern harmonieren perfekt mit den wachsenden Anforderungen der Fertigungsindustrie an hohe Präzision, einfache Bedienung und flexible Produktionsprozesse. Dies hat ihre Bedeutung in der Fertigung gesteigert und sie zu einer treibenden Kraft für den industriellen Wandel und die Modernisierung gemacht. Kollaborative Roboter – Industriegeräte, die sowohl die Zusammenarbeit zwischen Maschinen als auch die Mensch-Roboter-Kollaboration ermöglichen – haben sich aufgrund ihres autonomen Verhaltens und ihrer kollaborativen Fähigkeiten zu einem Schwerpunkt der Robotikforschung entwickelt und sind prädestiniert, in der zukünftigen Industrierobotik eine dominierende Rolle zu spielen. In der kollaborativen Robotertechnologie bestimmen Leistungskennzahlen von Servomotoren – darunter Drehmomentansprechgeschwindigkeit, Drehmomentgenauigkeit, Positioniergenauigkeit, Stromverbrauch und Temperaturstabilität – direkt die Bewegungseffizienz, Stabilität und Genauigkeit eines Roboters. Als Herzstück von Robotern beeinflusst die Leistung von Servosystemen entscheidend die Bewegungsgenauigkeit und Zuverlässigkeit. Insbesondere Gelenkservomotoren spielen eine zentrale Rolle für die Positioniergenauigkeit. Ein exzellenter Gelenkservomotor gewährleistet präzise Positionierung und stabile Bewegung bei komplexen Aufgaben und steigert so die Betriebseffizienz und minimiert Fehler.
Der „14. Fünfjahresplan für die Entwicklung der Roboterindustrie“ legt besonderen Wert auf die Förderung der Forschung an intelligenten, integrierten Robotergelenken, die sich insbesondere für kollaborative Roboter eignen. Ihr hochintegriertes Designkonzept integriert Aktoren, Sensoren und Treiber direkt in das Gelenk selbst und macht jedes Gelenk so zu einer eigenständigen Steuereinheit. Durch die Optimierung der internen Struktur und des Layouts reduziert die verteilte Steuerungsarchitektur die Anzahl der Kabel zwischen den verschiedenen Systemebenen erheblich, wodurch die Wartungskosten gesenkt und die Gesamtzuverlässigkeit erhöht werden. Der modulare Aufbau erleichtert zudem den Gelenkaustausch und die Wartung und steigert so die Wettbewerbsfähigkeit kollaborativer Roboter deutlich.
DerKonzept der kollaborativen RoboterKollaborative Roboter wurden erstmals 1996 vorgestellt und revolutionierten mit ihrer Designphilosophie die traditionelle Robotik, indem sie koordinierte Arbeitsabläufe zwischen Robotern und Menschen in Produktionslinien ermöglichten. Dieser kollaborative Ansatz nutzt nicht nur die Effizienz und Präzision von Robotern, sondern integriert auch menschliche Intelligenz und Flexibilität und steigert so die betriebliche Effizienz und den reibungslosen Ablauf. Im Vergleich zu herkömmlichen Industrierobotern weisen kollaborative Roboter besondere Merkmale auf und haben sich als wichtige Unterkategorie innerhalb der Robotik etabliert. Sowohl ihre physischen Strukturen als auch ihre Steuerungssysteme wurden grundlegend modifiziert. Traditionelle Industrieroboter – wie die in Abbildung 1 dargestellten Roboterarmkonfigurationen – werden hauptsächlich für Palettierung, Materialhandhabung, Schweißen und Laserschneiden eingesetzt. Obwohl diese Roboter eine hohe Steifigkeit, strukturelle Stabilität und starke Tragfähigkeit aufweisen, haben sie auch Einschränkungen: relativ große Größe und Masse, erhebliche Bewegungsträgheit, sperrige Bauweise mit geringer Flexibilität und die Unfähigkeit, hochflexible Montageaufgaben auszuführen. Darüber hinaus stellen ihr beträchtliches Trägheitsmoment und ihre hohen Bewegungsgeschwindigkeiten erhebliche Sicherheitsrisiken für Personen im Arbeitsbereich dar, weshalb der Betrieb in geschlossenen Räumen erforderlich ist.
Abbildung 1 Traditionelle Industrieroboterarme und kollaborative Roboter
Kollaborative Roboter ermöglichen den gleichzeitigen Einsatz mit Menschen in gemeinsam genutzten Bereichen und erleichtern die Interaktion im Nahbereich innerhalb von Kollaborationszonen. Im Vergleich zu herkömmlichen Roboterarmen tragen kollaborative Roboter typischerweise eine maximale Last von 20 kg an ihrem Endeffektor und verfügen über eine Reichweite, die mit der eines menschlichen Arms vergleichbar ist. Ihre Struktur ist einfacher als die herkömmlicher Industrieroboterarme mit komplexen Übertragungsmechanismen und bietet gleichzeitig ein sensibles Kraftfeedback, hohe Flexibilität bei geringem Gewicht und robuste Wahrnehmungsfähigkeiten. Diese Eigenschaften ermöglichen es ihnen, die Kraft während der Interaktion mit Menschen dynamisch anzupassen und so Beschädigungen effektiv zu verhindern. Folglich können kollaborative Roboter sicher mit Menschen zusammenarbeiten, um Aufgaben ohne die Notwendigkeit herkömmlicher Sicherheitsbarrieren zu erledigen.
Kollaborative Roboter interagieren direkt mit Menschen; daher ist Sicherheit eine unverzichtbare Voraussetzung für die Mensch-Roboter-Kollaboration. Es ist unerlässlich, Betriebsleistung und Drehmoment streng zu kontrollieren und technische Maßnahmen wie Strom- und Drehmomentregelung, Kontaktsensoren und Kollisionserkennung einzusetzen, um Verletzungen zu vermeiden. Auch die intelligenten Antriebssysteme der Roboter müssen im Hinblick auf das Sicherheitsmanagement weiter optimiert werden, um eine adaptive, stufenlose Steuerung durch dynamische Berechnungen und beobachterbasierte Modellierung zu ermöglichen.
In einer aktuellen Studie hob die Internationale Föderation für Robotik (IFR) hervor, dass die zukünftige Roboterentwicklung vor allem von Einfachheit, Benutzerfreundlichkeit, Flexibilität und sicherer Zusammenarbeit geprägt sein wird. Industrieroboter werden zunehmend höhere Automatisierungs- und Intelligenzgrade erreichen; ihr benutzerfreundliches Design senkt die Betriebsbarrieren und ermöglicht es mehr Unternehmen, Robotertechnologie mühelos zur Steigerung der Produktionseffizienz einzusetzen. Gleichzeitig ermöglichen flexible Designs mit sicheren Kollaborationsfunktionen Robotern eine bessere Anpassung an vielfältige und komplexe Produktionsumgebungen, erleichtern die Mensch-Roboter-Kollaboration und fördern die intelligente und effiziente Entwicklung der industriellen Produktion.
Abbildung 2: Arbeitsbereich des kollaborativen Roboters
1.2 Bedeutung der Forschung
Im aktuellen Markt für kollaborative Robotik sind Roboter mit sieben Freiheitsgraden aufgrund ihres großen Einsatzbereichs und ihrer Flexibilität besonders beliebt. Diese Roboter bieten redundante Freiheitsgrade und damit ein größeres Potenzial für industrielle Automatisierung und intelligente Fertigung. Jeder Freiheitsgrad wird durch ein Robotergelenk realisiert, das maßgeblich die Leistungsfähigkeit des Roboters bestimmt. Die vier führenden Hersteller – FANUC, ABB, Yaskawa und KUKA – verwenden in ihren traditionellen Industrieroboterarmen jeweils unterschiedliche Antriebssysteme. Im Wesentlichen nutzen sie jedoch Servomotoren in Kombination mit Kegelrädern, Stirnrädern oder Synchronriemen, um die Kraft für die Rotation auf die Gelenke zu übertragen. Diese Antriebsmethoden begrenzen die Größe der Robotergelenke. Obwohl hohe Präzision möglich ist, bleibt die Miniaturisierung eine Herausforderung. Wie in Abbildung 3 dargestellt, benötigen traditionelle Industrieroboter externe Schaltschränke mit Motorantrieben. Zahlreiche Kabel verbinden jeden Motor mit dem Schaltschrank und schränken so den flexiblen Einsatz von Steuerungssystemen ein.
Abbildung 3 Traditioneller Industrieroboter und Schaltschrank
Da die herkömmlichen Gelenkkonfigurationen von Industrieroboterarmen den Anforderungen kollaborativer Roboter nicht mehr genügen, wurden konventionelle Übertragungsmechanismen zugunsten einer neuartigen Konstruktionsphilosophie aufgegeben. Dieser Ansatz zielt auf leichte, energieeffiziente und hochintegrierte Systeme ab, indem Steuerung, Servotreiber und Motor im Gelenk selbst integriert werden. Auch die zugehörigen elektrischen Verbindungen sind intern realisiert. Nur wenige Steuerschnittstellen sind extern zugänglich, was die externe Verkabelung vereinfacht und die Komplexität der Entwicklung reduziert. Eine solche Konstruktion wird als integriertes Gelenk bezeichnet.
Angesichts der aktuellen Entwicklungsanforderungen und Trends bei Gelenken für kollaborative Roboter ist die Entwicklung eines leichten, energiesparenden, hochintegrierten und leistungsstarken Gelenks für kollaborative Roboter von besonderer Bedeutung. Ein solches integriertes Gelenk vereint alle für die Gelenkbewegung notwendigen Komponenten – darunter Aktoren, Controller, Treiber und Sensoren – und kann als eigenständiges Modul funktionieren. Durch die Anbindung an den Hauptcontroller oder andere Module über einfache Strom- und Steuerleitungen verbessert diese hochkohäsive und gleichzeitig kopplungsarme Konstruktion die Skalierbarkeit kollaborativer Roboter erheblich. Mit diesem integrierten modularen Gelenk und passenden Roboterarmen und Endeffektoren lassen sich kollaborative Roboter für unterschiedlichste Anforderungen einfach zusammenstellen.
Abbildung 4 Schematische Darstellung der modularen Verbindung
Die Forschung an integrierten Gelenken für kollaborative Roboter und deren Servoregelungssystemen ist von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung der kollaborativen Robotik. Die Kerntechnologien dieser integrierten Gelenke umfassen zwei Schlüsselkomponenten: Harmonic-Reduziergetriebe und Gelenkmotorantriebssysteme mit den dazugehörigen Regelalgorithmen. Zhixin Drive Technology (Shijiazhuang) Co., Ltd. konzentriert sich in ihrer Forschung auf Gelenkmotorantriebssysteme für kollaborative Roboter und führt detaillierte Studien zu Gelenkmotorantriebs- und Regelmechanismen durch. Das Unternehmen entwickelt eine Reihe hochintelligenter, integrierter Robotergelenkmotoren, die flexiblere und zuverlässigere Steuerungsmöglichkeiten für kollaborative Robotergelenke bieten und gleichzeitig wichtige Funktionen wie Selbstwahrnehmung, intelligente Entscheidungsfindung, präzise Ausführung und exakte Regelung integrieren – und damit den Anforderungen der Entwicklung intelligenter Geräte gerecht werden.
2 Aktueller Forschungsstand im In- und Ausland
Im Jahr 1956 gründeten der amerikanische Physiker Joe Engelberger und der Erfinder George Devol ein Robotikunternehmen namens Unimation, das 1959 erfolgreich den weltweit ersten Industrieroboter – den Unimate – entwickelte.
General Motors setzte 1961 in seinem Werk in New Jersey erstmals Roboter in der industriellen Produktion ein. 1969 führte Japan Roboter von Unimation ein und lizenzierte die Technologie später an Kawasaki Heavy Industries und die britische KUKAI Corporation für die Roboterfertigung in Japan bzw. Großbritannien. Mit dem Fortschritt der japanischen Automobilindustrie ersetzten immer mehr Roboter menschliche Arbeitskräfte in der Produktion und stellten so ihren praktischen Nutzen eindrucksvoll unter Beweis. Infolgedessen legte Japan zunehmend Wert auf die Entwicklung von Industrierobotern. Angefangen mit Kawasaki Heavy Industries als Pionier in der Robotertechnologie und gefolgt vom Aufstieg weltbekannter Robotikunternehmen wie FANUC und Yaskawa, hat sich Japan zu einer der Nationen entwickelt, die weltweit Spitzentechnologien in der Robotik beherrschen.
1973 modifizierte das deutsche Unternehmen KUKA den Unimate-Roboter und entwickelte so den ersten Roboter mit sechs Freiheitsgraden, den Famulus, der von einem Elektromotor angetrieben wurde. 1974 entwickelte ASEA (der Vorgänger von ABB), ein schwedisches Elektrounternehmen, den weltweit ersten vollelektrischen Roboter, den IRB 6, der von einem Mikroprozessor gesteuert wurde und die Roboterintelligenz deutlich verbesserte. 1978 setzte das US-amerikanische Unternehmen Unimation seinen Industrieroboter PUMA flächendeckend in den Montagelinien von General Motors ein. Dies unterstrich die Praktikabilität und den Wert von Industrierobotern und markierte die volle Reife der Industrierobotertechnologie. Damit wurde eine solide Grundlage für nachfolgende technologische Fortschritte geschaffen.
In den über vier Jahrzehnten der Entwicklung von Industrierobotern wurden kontinuierliche technologische Fortschritte erzielt. Aus Sicherheitsgründen sind Roboter jedoch üblicherweise an festen Arbeitsplätzen installiert und durch Schutzgeländer abgetrennt, sodass sie nicht im selben Raum wie Menschen arbeiten können. Diese traditionelle Konfiguration schränkt die Mensch-Roboter-Kollaboration ein und erschwert effiziente Arbeitsabläufe. Trotz zahlreicher Versuche und Forschungen bleibt die sichere Mensch-Roboter-Kollaboration eine große Herausforderung in der Industrierobotik.
Erst 2005 wurde im Rahmen eines großen EU-geförderten Projekts das Konzept der kollaborativen Roboter eingeführt. Die Initiative vereinte führende Industrieroboterhersteller wie ABB, KUKA, Reis, Comau und Gudel, um gemeinsam einen kostengünstigen, kompakten und flexiblen Roboter speziell für kleine und mittlere Unternehmen zu entwickeln und so die Abhängigkeit von externen Arbeitskräften zu verringern. Dieses Projekt hob das Potenzial der Mensch-Roboter-Kollaboration deutlich hervor und legte damit den Grundstein für das Konzept der kollaborativen Roboter.
Frühe kollaborative Roboter waren im Wesentlichen Modifikationen und Anwendungen traditioneller Industrieroboter, ohne deren Konstruktionsphilosophie oder Funktionsweise grundlegend zu verändern. Seit ihrer Gründung im Jahr 2005 widmet sich Universal Robots der Entwicklung kollaborativer Roboter, die sicher mit menschlichen Arbeitskräften zusammenarbeiten können. 2009 brachte das Unternehmen den UR5 auf den Markt – den weltweit ersten kollaborativen Roboter – und läutete damit eine neue Ära ein. Anschließend präsentierte Rethink den zweiarmigen Baxter und den neuen einarmigen Sawyer und etablierte so die kollaborative Robotik schrittweise als anerkannte Disziplin innerhalb der Industrierobotik. Diese Fortschritte haben neue Erkenntnisse und Wege für die zukünftige industrielle Automatisierung und intelligente Entwicklung eröffnet.
Abbildung 5: UR5-Roboter und Sawyer-Baxter-Roboter
Die Siasun Robot Company, ein Tochterunternehmen des Shenyang Institute of Automation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, präsentierte im November 2015 auf der Industrieausstellung erstmals einen siebenachsigen flexiblen kollaborativen Roboter, der Chinas hohes technologisches Niveau repräsentierte. Seitdem haben zahlreiche inländische kollaborative Robotermodelle wie Luoshi und Aobo nach und nach Anerkennung gefunden.
Der Hauptunterschied zwischen Gelenken kollaborativer Roboter und denen herkömmlicher Schwerlast-Industrieroboter liegt in ihrer „Flexibilität“. Diese Flexibilität äußert sich in geringerer mechanischer Steifigkeit, reduzierter Trägheit und der Fähigkeit, Drehmomente zu erfassen. Aktuell basiert die Gelenkflexibilität kollaborativer Roboterarme primär auf präziser Positions- und Drehmomentregelung.
Abbildung 6 Typischer Aufbau des integrierten Gelenks in kollaborativen Robotern
Ein Überblick über aktuelle Forschungsergebnisse zeigt, dass Chinas Robotikentwicklung später begann als die von Ländern wie den USA und Japan. Die Forschung an kollaborativen Robotern hinkt internationalen Produkten weiterhin deutlich hinterher. Hauptengpässe liegen bei Harmonic-Reduziergetrieben und Gelenkmotorantriebssystemen. Chinesische kollaborative Roboter weisen derzeit erhebliches Verbesserungspotenzial in Bezug auf die Gelenksteuerung auf, insbesondere hinsichtlich Präzision und intelligenter Steuerung. Globale Forschungstrends in der Robotik deuten zudem darauf hin, dass Sicherheit, Flexibilität und Intelligenz die dominierenden Merkmale des technologischen Fortschritts sind. Robotergelenke entwickeln sich hin zu hochintegrierten Antriebs- und Steuerungssystemen und höherer Intelligenz. Obwohl kollaborative Robotergelenke den Übergang von traditioneller zentralisierter zu verteilter Antriebs- und Steuerungsarchitektur vollzogen haben, führen sie derzeit lediglich motorgetriebene Aktionen aus. Ihnen fehlen Fähigkeiten zur autonomen Wahrnehmung, intelligenten Entscheidungsfindung und präzisen Ausführung – was zu einem relativ niedrigen Intelligenzniveau führt. Es besteht weiterhin ein erhebliches Potenzial für eine steigende Nachfrage nach intelligenten Robotersystemen.
Veröffentlichungsdatum: 22. Mai 2026
