Kann die „weiche Robotik“ eine neue Ära für starre Roboterarme einläuten?

Der Wunsch der Menschheit, manuelle Arbeit durch Maschinen zu ersetzen, ist nicht neu – und immer wieder entfacht ein Durchbruch diesen Traum aufs Neue. In diesem Jahr haben humanoide Roboter von Unternehmen wie Tesla und Xiaomi das Interesse an der Robotikbranche neu entfacht.

Die bittere Realität bleibt jedoch bestehen: Bevor Maschinen den Menschen vollständig ersetzen können, muss eine umfassende Mensch-Maschine-Kollaboration erreicht werden. Die Robotikbranche steckt heute noch weitgehend in einer Phase fest, in der es nur wenige bahnbrechende Produkte oder disruptive Technologien gibt.

Nehmen wir Roboterarme als Beispiel – eine der ältesten und am weitesten verbreiteten Technologien. Ob traditionelle Industrieroboter oder neuere kollaborative Modelle: Die Kernziele in der Fertigung bleiben Geschwindigkeit und Präzision. Doch mit zunehmenden Anwendungen, die eine enge physische Interaktion mit Menschen erfordern, verschiebt sich der Fokus hin zur Sicherheit.

Da der Industriesektor eine Sättigung erreicht, benötigt der Markt für Roboterarme neue Wachstumschancen.

Stellen Sie sich einen Roboterarm vor, der nicht nur flexibel und sicher ist, sondern auch interaktive Steuerung ermöglicht. Ein solches Design sprengt die Grenzen traditioneller industrieller Anwendungen und eröffnet neue Möglichkeiten für Dienstleistungsbranchen und darüber hinaus.

Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, ist eine neue Generation von Roboterarmen entstanden – mit weichen, nachgiebigen Strukturen und intelligenter Steuerung. Diese Systeme sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, beispielsweise mit Biegegelenken, Teleskopgelenken oder als hybride, starr-flexible Konstruktionen. Diese neuen Formen basieren auf bahnbrechenden Innovationen in Materialwissenschaft, Struktur und Aktorik.

Hinter dieser Entwicklung steht der langjährige Glaube an Spitzentechnologie und Robotik. Der Fokus hat sich auf visionäre Teams und innovative Technologien verlagert, die in der Lage sind, grundlegende Robotersysteme von Grund auf neu zu gestalten.

Anders als herkömmliche Roboterarme ähneln diese neuen, weichen Arme in ihrem Aussehen Elefantenrüsseln – flexibel, organisch und agil. Dieser biomimetische Ansatz stellt eine bedeutende Abkehr von starren, motorbetriebenen Gelenken dar.

Die entscheidende Innovation liegt im grundlegenden Design des Systems. Anstelle starrer, von Motoren und Getrieben angetriebener mechanischer Gelenke verwenden die neuen Arme Anordnungen flexibler „Muskelgelenke“ aus weichen Materialien. Diese werden von fluidbasierten Aktuatoren, sogenannten SlimDrive-Systemen, angetrieben und bieten so eine überlegene Nachgiebigkeit und Anpassungsfähigkeit.

Diese weichen Aktuatoren basieren auf mikrofluidischen Technologien und nutzen eine präzise Luftdrucksteuerung zur Bewegungssteuerung. Jedes flexible Gelenk besteht typischerweise aus drei bis sechs dieser Aktuatoren – eine optimierte Struktur für dreidimensionale Bewegungen bei gleichzeitig minimalem Materialaufwand.

Im Inneren des Arms strömt Druckluft durch miteinander verbundene Schläuche in die weichen Aktuatoren, die sich ausdehnen oder zusammenziehen, um die Bewegung zu steuern. Durch die Variation des Luftdrucks in jedem Aktuator kann der Arm präzise und gleichmäßige Richtungsänderungen ausführen.

Diese Konstruktion ermöglicht einen sicheren Betrieb in komplexen Umgebungen, darunter Mensch-Maschine-Interaktion, beengte Räume und Umgebungen mit vielen Hindernissen. Sie ist besonders wertvoll für Aufgaben, die ein feines Gespür erfordern, wie beispielsweise die Interaktion mit zerbrechlichen oder empfindlichen Objekten.

Auf der Steuerungsebene ähneln die Algorithmen noch denen herkömmlicher Roboterarme – sie erfassen die Bewegung an der Spitze und berechnen die inverse Kinematik für jedes Gelenk. Die erhöhten Freiheitsgrade und die Materialnichtlinearität erhöhen jedoch die Komplexität der Bewegungsplanung und erfordern neue Ansätze für eine optimale Steuerung.

Die größte Herausforderung in der Softrobotik besteht darin, die gesamte Systemarchitektur neu zu denken. Da alles – von den Materialien bis zur Bewegungssteuerung – grundlegend anders ist, gibt es keine fertige Open-Source-Lösung, die man kopieren könnte.

Aber genau das verleiht diesen Systemen auch ihre besonderen Vorteile:

Beispiellose Flexibilität:

Weiche Arme erreichen wie herkömmliche starre Arme sechs Freiheitsgrade. Durch zusätzliche interne Freiheitsgrade dank redundanter Aktuatoren können sie jedoch komplexe Manöver auf engstem Raum ausführen, Hindernissen effektiver ausweichen und den Platzbedarf reduzieren.

Erhöhte Sicherheit bei der Mensch-Maschine-Interaktion:

Herkömmliche Roboterarme nutzen Sensoren und Bildverarbeitungssysteme, um die Sicherheit zu gewährleisten. Versagen diese jedoch, können die inhärente Starrheit und Trägheit weiterhin Schäden verursachen. Weiche Roboterarme hingegen sind von Natur aus sicherer – sie sind leichter, flexibler und werden durch kompressible Flüssigkeiten angetrieben, die Stöße absorbieren.

Leichtgewicht bei dennoch hoher Tragfähigkeit:

Das Gewicht ist bei mobilen Robotern und Servicerobotern oft ein limitierender Faktor. Weiche Roboterarme überwinden diesen Zielkonflikt und bieten ein Nutzlast-Gewichts-Verhältnis von bis zu 3:1. So kann beispielsweise ein 3 kg schwerer weicher Roboterarm Lasten von über 10 kg bewegen, dank der hohen Elastizität der Aktuatoren und der Verwendung von Druckluft anstelle schwerer Motoren.

Besseres Kosten-Leistungs-Verhältnis:

Dank ihrer einfachen Struktur verzichten Softarme auf viele der teuersten Komponenten herkömmlicher Roboterarme – wie Motoren, Getriebe und Steuerungen, die zusammen über 70 % der Gesamtkosten vieler Robotersysteme ausmachen. Das Ergebnis ist eine leistungsstarke Lösung mit einer effizienteren und skalierbaren Lieferkette.

Ein vielversprechender Einsatzbereich für weiche Roboterarme ist deren Integration in Drohnen. Herkömmliche Roboterarme lassen sich aufgrund ihres Gewichts und ihrer Steifigkeit nur schwer an unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) montieren. Weiche Roboterarme hingegen können so konstruiert werden, dass sie die strengen Anforderungen an Platzbedarf und Flexibilität erfüllen und so Manipulationen aus der Luft, ferngesteuertes Aufnehmen, Absetzen von Objekten und Inspektionen ermöglichen.

Bei Inspektionsaufgaben helfen sie, Probleme wie das Blockieren von Türen, das Manövrieren in engen Anlagenräumen und die Durchführung sicherer Arbeiten zu vermeiden. Neben UAVs werden weiche Arme auch in mobile Bodenroboter (z. B. AGVs/AMRs) integriert und ebnen so den Weg für neue Klassen komplexer intelligenter Systeme.

Im Dienstleistungssektor sind die Zukunftsaussichten noch vielversprechender. Dank niedriger Kosten, geringem Gewicht, sicherer Interaktion mit Menschen und schneller Einsatzbereitschaft sollen weiche Roboterarme herkömmliche Roboter nicht ersetzen, sondern ergänzen. Während starre Arme weiterhin in anspruchsvollen Industrieanwendungen dominieren werden, eröffnen weiche Roboterarme ein völlig neues Marktpotenzial in aufstrebenden Bereichen wie Pflege, Logistik, Bildung und Haushaltsdienstleistungen.