Leistungselektronik & Robotics – Status Quo & Zukunftsaussichten (Teil 1/5)

In unserem ersten Beitrag der fünfteiligen Serie zu Leistungselektronik & Robotics werfen wir zunächst einen kurzen Blick auf die Entwicklungen innerhalb der Robotik-Industrie und zeigen auf, welche Rolle die Leistungselektronik innerhalb der Technologie einnimmt. In den kommenden Beiträgen wird unser Produktmanager, Anton Mitterreiter, detailliert erläutern, welche Energieflüsse während des Betriebs eines AGVs auftreten und welche Schlüsselrolle dabei die Leistungselektronik spielt.

Industrial Robots & Service Robots

Wenn man an Roboter denkt, hat man vermutlich eher die Entwicklungen der letzten 40 bis 50 Jahre vor Augen und denkt vor allem auch an R2D2 und humanoide Roboter wie C-3PO aus der Star Wars Filmreihe der 80ziger Jahre. Man kann sich aber wohl kaum vorstellen, dass es bereits 1495 einen ersten Entwurf von Leonardo Da Vinci gab, welchen man in Richtung menschenähnliche Maschine einordnen kann. Mit seinem „Mechanical Knight“ hatte das Multigenie bereits Ende des 15 Jahrhunderts einen ersten Grundstein in Richtung Robotik gelegt.

Wie wir wissen, hat sich seither technologisch, vor allem im Bereich der künstlichen Intelligenz, einiges getan und der Einsatz von Robotik in der Industrie, der Landwirtschaft, dem Baugewerbe aber auch in gesellschaftlichen Bereichen wie der Pflege oder der Gastronomie wird immer bedeutender. Aber auch mit Hinblick auf die derzeitige weltpolitische Lage mit Kriegen in Europa und dem Nahen Osten, werden Roboter auch im militärischen Bereich immer häufiger eingesetzt, sei es im taktischen Training oder beispielsweise in Form von Drohnen im unmittelbaren Einsatz in Kriegsgebieten.

Bevor wir nun kurz auf die Entwicklungen eingehen, sehen wir uns einmal an, in welche Kategorien Roboter eigentlich eingeteilt werden.

Die International Federation of Robotics (IFR), der internationale Dachverband der weltweiten Robotik Verbände und der Industrie mit Sitz in Frankfurt am Main, unterteilt Roboter in zwei Kategorien.

• Industrial Robots: Automatisch gesteuerte, programmierbare Mehrzweckmanipulatoren, programmierbar in drei oder mehr Achsen (Def. ISO). Diese werden vor allem in der produzierenden Industrie, wie z.B. der Elektronik- und Automobilindustrie eingesetzt.

• Service Robots: Roboter für persönlichen oder beruflichen Gebrauch, die nützliche Aufgaben für Menschen oder Geräte ausführen (Def. ISO). Einsatz in Intralogistik (bekannt als AGVs/AMRs), Gesundheitswesen, Hospitality und Landwirtschaft.

Asien führend im Bereich von industriellem Roboter

Der größte und umsatzstärkste Hersteller von Industrierobotern im Jahr 2022 nach Umsatz war das japanische Unternehmen Mitsubishi Electrics mit einem Jahresumsatz von 10,8 Milliarden Euro im Segment „Industrial Automation Systems“. In Europa war KUKA im Jahr 2022 mit einem Umsatz von 3,9 Milliarden und 300.000 weltweite installierten Einheiten führend. Laut dem IFR war das Jahr 2022 mit insgesamt 553.052 Einheiten ein neues Rekord-Jahr. Vor allem in den Industriezweigen Elektronik und Automobil waren die meisten Installationen zu verzeichnen. Im internationalen Vergleich werden die meisten industriellen Roboter in China implementiert, während Deutschland nach Japan, den USA und Südkorea auf Platz 5 rangiert.

Service Robots und das „Robots as a Service“-Modell

In einer 2021 durchgeführten Studie von BCG (Boston Consulting Group) verwies die Unternehmensberatung darauf, dass der Service Robot Markt mit schätzungsweise einem jährlichen Wachstum von 25% – 35% zwischen 2020 und 2023 wachsen wird und im Jahr 2030 bereits ein Markvolumen von 90 bis 170 Milliarden US-Dollar verzeichnen wird.

Der globale Mangel an Arbeitskräften in der Industrie und anderen Bereichen, den wir bereits heute spüren, führt zu einer steigenden Nachfrage nach professionellen Servicerobotern. Aufgrund der demografischen Entwicklung in vielen Industrieländern, wird es in Zukunft zu einem verstärkten Einsatz von Service Robots in verschiedenen Bereichen kommen.

Das dadurch entstandene Geschäftsmodell „Robots as a Service“ in Verbindung mit der technologischen Weiterentwicklung und dem Einsatz von KI, öffnet viele neue Sektoren.

Vor allem im Bereich der Intralogistik werden immer mehr Service Roboter so genannte AGVs eingesetzt, die innerhalb von großen Produktions- und/oder Lagerhallen, Produkte von A nach B bewegen, um die Produktion zu beschleunigen und einen reibungslosen Ablauf zu garantieren.

Aber was ist genau ein AGV?

Ein AGV (Automated Guided Vehicle), im deutschen Fahrerlose Transportsysteme (FTS) genannt, ist ein Roboter, der vor allem in der Intralogistik eingesetzt wird und beispielsweise in großen Lagerhallen oder Hochregallagern Produkte, Teile oder Pakete von A nach B transportiert. Ein AGV setzt sich grundsätzlich aus fünf Hardware-Komponenten mit folgenden Aufgaben zusammen:

• Vehicle Plattform: Grundstruktur des FTS.

• Motion System: Komponenten für Bewegung, z.B. Motoren, Räder, Hubgerüst.

• Power System: Energiespeicher und Leistungselektronik.

• Control System: Zentrales Steuerungssystem.

• Navigation System: Verantwortlich für Richtungsgebung, z.B. Laser, Draht, Magnet.

Immer mehr AGV-Hersteller haben sich in den letzten Jahren vom reinen Hersteller mit Hardware-Fokus, hin zu einem System-Integrator mit Software-Fokus weiterentwickelt.

Der technologische Fortschritt bei Energiespeichern und der Anspruch, Energie effizienter zu nutzen, macht die Leistungselektronik zu einer immens wichtigen Hardware-Komponente innerhalb von AGVs.

DC/DC-Wandler als zentrale Energiesteuereinheit

Die Leistungselektronik, als eine der Hardware-Komponenten, nimmt innerhalb eines AGVs in Form eines DC/DC Wandlers eine zentrale Rolle ein und hat mehrere wichtige Funktionen, die im Folgenden kurz erklärt werden.

Spannungsumwandlung: Der Wandler passt die Spannung einer Quelle, z.B. einer Batterie, in für die verschiedenen Komponenten des AGV geeignete Spannungsebenen an.

Stromregelung: Durch die Regelung des Stroms kann der DC/DC-Wandler eine optimale und sichere Ladung eines Energiespeichers gewährleisten.

Effizienzoptimierung: Der Wandler hilft dabei, die Effizienz des Energieverbrauchs zu verbessern, indem er sicherstellt, dass die Energie effektiv von der Quelle zu den angeschlossenen Geräten übertragen wird.

Isolation: Einige DC/DC-Wandler bieten eine Isolation zwischen den verschiedenen Leistungs- und Kommunikationsschnittstellen, um elektrische Störungen zu minimieren und die Sicherheit der Elektronik im AGV zu gewährleisten.

Anpassung an variable Lasten: Der Wandler trägt dazu bei, die Ausgangsspannung bei schwankenden Lasten stabil zu halten, um eine zuverlässige Leistungsversorgung sicherzustellen.

Fazit:

Das starke Wachstum im Bereich der Robotik bleibt unverändert. Vor allem mit Hinblick auf den Fachkräftemangel und die demografische Entwicklung sind Roboter, sei es im industriellen oder gesellschaftlichen Kontext, unverzichtbar. Die Leistungselektronik nimmt hierbei eine wichtige Rolle innerhalb von Service Robotern ein, da sie als zentrale Energiesteuereinheit wichtige Funktionen innehat.

Im zweiten Teil der Reihe Leistungselektronik & Robotics erläutert unser Produktmanager Anton Mitterreiter welche Herausforderungen und Möglichkeiten es bei der Energieübertragung aus dem Netz in den Energiespeicher des Fahrzeuges bestehen.

Hier geht es zum zweiten Teil der Serie – Leistungselektronik & Robotics – Ladung des Energiespeichers.

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