VDI Zukunftskonferenz „Humanoide Roboter“

Ein Bericht aus der Welt der Roboter

Er ist etwa 1,60 Meter groß, hat Arme, Beine, Gelenke und spielt Fußball. Was sich nach einem Menschen anhört, ist Sweaty, ein dem Menschen nachempfundener Roboter. Diese so genannten humanoiden Roboter sollen sich wie Menschen bewegen, wie Menschen lernen und für Menschen entworfene Werkzeuge nutzen. Sie könnten uns in Zukunft unliebsame Arbeit abnehmen, den Haushalt erledigen und uns im hohen Alter pflegen. Damit würden sich die Einsatzmöglichkeiten für Roboter enorm erweitern.

Bild: privatsweaty_roboterDie VDI-Zukunftskonferenz „Humanoide Roboter“ nahm sich den zentralen Fragen und Herausforderung von Gestaltung und Design über die Bewegungsplanung bis hin zu Anwendungsbeispielen unter der Konferenzleitung durch Prof. Dr. Frank Kirchner vom Deutschen Forschungszentrum für künstliche Intelligenz (DFKI) an.

Roboter „Sweaty“ schwitzt wie ein Mensch
Bei der Gestaltung und Design humanoider Roboter präsentierte die Hochschule Offenburg den humanoiden Fußball- Roboter Sweaty, der sich voll autonom bewegt, den Ball findet und im besten Fall ins gegnerische Tor schießt. Er erbringt Spitzenleistungen beim Sprint auf dem Fußballfeld, was große Herausforderungen an seine Elektromotoren und Gelenke darstellt. Um die Kühlung der Motoren zu realisieren „schwitzt“ Sweaty ähnlich einem Menschen. Über einen Wassertransport durch Kapillaren soll das Überhitzen seiner „Muskeln“ mittels Verdunstungskühlung verhindert werden. Damit er seine Umwelt wahrnehmen kann, besitzt er Kameras und Mikrophone. Hall- und Temperatursensoren liefern Informationen über das Innere des Humanoiden. Die gewonnenen Daten werden im „Nervensystem“ mit CAN-Bus übertragen und in einer Comcon Steuerung verarbeitet. Die Fuß- und Beinsteuerung wird mittels inverser Kinematik aufgestellt, wobei nicht immer eindeutige Lösungen existieren. Eine große Herausforderung stellt die Dynamik des Fußballspiels dar. Entscheidungen müssen sehr schnell getroffen werden und es stehen oft nur unvollständige Informationen wegen der Verdeckung des Balls durch andere Spieler zur Verfügung. Sweaty erreichte bei dem RoboCub in Leipzig dieses Jahr im internationalen Vergleich den zweiten Platz. Die Entwicklung ist aber noch nicht abgeschlossen: für weitere Turniere wird eine spezielle Leichtbauhand mit beweglichen Fingern entwickelt, um den Ball aufheben zu können.

Zwei Forschungsansätze bei Bewegungsplanung und -steuerung
Bei der Bewegungsplanung und -steuerung humanoider Roboter lassen sich zwei Forschungsansätze erkennen. Zum einen wird angestrebt, ein möglichst exaktes und vollständiges mathematisches Modell der Bewegungsabläufe aufzustellen, das zur Simulation und zur Regelung verwendet wird. Dadurch können Lernalgorithmen angewendet werden, die die Optimierung des Laufprozesses zulassen. Ein anderer Ansatz studiert die dynamisch biologischen Bewegungsmuster der Natur und versucht, ein biomechanisches Modell abzuleiten. Das vereinfacht die Regelungskonzepte und kann zur Energieeffizienz beitragen.
Eine Anwendung aus der Forschung zu humanoiden Gangzyklen sind Exoskelette. Sie können anthropomorphe, dem Menschen ähnliche, Bewegungen ausführen und unterstützten den Menschen in den unteren Extremitäten. Einen entscheidenden Vorteil bieten hierbei Parallelkinematiken durch ihre kompakte, einfache und leichte Konstruktion. Exoskelette können beim Transport schwerer Lasten und bei der Unterstützung gelähmter Patienten eingesetzt werden. So können Mensch und Maschine eine gewinnbringende Symbiose eingehen.

Sensorik und Wahrnehmung: Wichtig für Kommunikation zwischen Mensch und Maschine
Die intentionsBild: privatroboter_gesichtbasierte Mensch-Roboter-Interaktion ist ebenfalls aktueller Forschungsgegenstand in der Sensorik und Wahrnehmung. Hier werden Informationsmodelle zur Abbildung von Intentionen entwickelt. Gerade bei Assistenzsystemen in der Pflege und Montage ist die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine besonders relevant. Der Roboter muss die Intention des Menschen aus der Bewegung und dem Gesamtverhalten erkennen und ein für den Menschen verständliches Feedback geben. Der intelligente Roboterkopf Flobi der Universität Bielefeld kann beispielsweise Emotionen ausdrücken und reagiert mimisch auf sein Gegenüber. Mithilfe von sechzehn Antriebselementen lächelt Flobi, schaut verschmitzt oder ernst. Hier wird erforscht, wie und unter welchen Bedingungen Flobis Mimik Menschen motivieren kann- etwa zu längerem Durchhalten beim Ausdauertraining. Führt der Roboter eine für den Menschen unverständliche Bewegung aus, kann dies zum Verlust der Akzeptanz der Technologie führen.

Neben leistungsstarken Computer-Vision-Systemen mittels Tiefenkameras zur visuellen Exploration der Umgebung ist eine sensible Taktilsensorik gefragt. Der Tastsinn ist die Voraussetzung für robuste und fehlertolerante Greifstrategien. Ein bereits serienreifes Produkt zeigt das Unternehmen Schunk mit einer 5-Finger-Hand. Neun Elektromotoren steuern die Bewegungsfunktionen in zwanzig Gelenken, unter der Fingerkuppe kann individuelle Taktilsensorik installiert werden.
Bild: privatroboter_hand

Zusammenarbeit von Mensch und Humanoid
Als weiteres Anwendungsbeispiel zeigte die Technische Universität Darmstadt den Einsatz von semi-autonomen Robotern als Avatare für Rettungskräfte. Humanoide Roboter können in Umgebungen eingesetzt werden, die zwar für Menschen erschaffen, aber aufgrund von Katastrophen nicht mehr für den Menschen zugänglich sind. Das kann beispielsweise bei Erdbebenkatastrohen oder bei Störungen im Kraftwerken der Fall sein. Das Öffnen von Türen, Betätigen von Ventilen und Nutzen von Werkzeugen stellen hohe Anforderungen an vielseitig und flexibel anpassbare Manipulationsfähigkeiten dar. Die komplexen Missionen führen die Roboter teilweise autonom und teilweise durch den menschlichen Operator geführt aus, eine so genannte kollaborative Autonomie.
Erkenntnisse aus der Forschung zu humanoiden Robotern können heute schon im Rahmen von Mensch-Maschine-Kollaborationen in Unternehmen eingesetzt werden. Der kollaborative Industrie-Roboter P-Rob des Schweizer Unternehmens F&P Robotics arbeitet Hand-in-Hand mit dem Menschen sicher zusammen und unterstützt bei Montageprozessen. Vor dem Hintergrund der Industrie 4.0 fordern die Unternehmen autonome und intelligente Systeme, die untereinander vernetzt sind. Die Forschung aus dem Bereich der humanoiden Roboter und der künstlichen Intelligenz kann hier als Schlüssel für eine funktionierende Zusammenarbeit von Mensch und Maschine angesehen werden. Humanoide Roboter können auch als Trainer für industrielle Montageprozesse eingesetzt werden. So lässt sich Wissen jederzeit reproduzieren, denn ein Roboter wird nie ungeduldig. Erste Studien der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes zeichnen den Trend ab, dass Mensch-Roboter-Kollaborationen in bestimmten Lehrsituationen sinnvoll eingesetzt werden können. In Bereichen der Didaktik und sozialen Kompetenz, wo es um die persönliche Entwicklung von Menschen geht, ist der Einsatz allerdings weniger gewinnbringend.

Standardisierung humanoider Roboter?
Kontrovers wurde bei der Konferenz des VDI Wissensforum eine Standardisierung im Bereich humanoider Roboter diskutiert. Durch eine Standardisierung kann eine bereichsübergreifende sowie schnelle Forschung und Entwicklung realisiert werden. Gerade in der Simulation und den embedded Systems ist in den letzten Jahren ein großer Zuwachs festzustellen. Das Formulieren von Standards kann als Chance für die Entwicklung gesehen werden, damit Deutschland seinen wirtschaftlichen Vorteil in der Welt halten kann. Hier ist zunehmend ein Paradigmenwechsel festzustellen, indem die etablierten Roboter-Hersteller durch Start-ups unter Druck geraten. Außerdem lassen sich durch Standards Sicherheitsaspekte realisieren, die unter anderem auch bei autonomen Fahrzeugen eine große Rolle spielen. Als zentrale Frage wurde formuliert, wie wir in Zukunft Roboter entwickeln wollen. Dabei ist die konkrete Anwendung der Technologie besonders relevant und der Mensch muss im Fokus des Entwicklungsprozesses stehen. Humanoide Roboter bewegen sich bereits heute aus dem reinen Forschungslabor in die unstrukturierte reale Welt. Die zunehmend komplexer werdenden Systeme stellen nicht nur große Herausforderungen an die einzelnen Fachrichtungen wie Elektrotechnik und Informatik dar, sondern auch an die Kommunikation zwischen den einzelnen Disziplinen. Unverzichtbar ist hierbei die Ausbildung von Studierenden in interdisziplinären Fähigkeiten.
Eine Standardisierung birgt aber auch die Gefahr der Einschränkung. Im Bereich der humanoiden Robotik ist noch viel Forschungspotential zu erkennen und das Feld erweitert sich zunehmend. So kommen beispielsweise immer neue Sensoren und Bildverarbeitungsprozesse hinzu, die mit einer Standardisierung aktuell noch nicht abgedeckt werden können. Als allgemeiner Konsens konnte das Entwickeln von „Tools“ für die mechatronischen Systeme festgehalten werden, aus denen in Zukunft Standards abgeleitet werden können. Dabei müssen Wissenschaft und Unternehmen eng miteinander zusammenarbeiten, um den Technologiestandort Deutschland weiterhin attraktiv zu gestalten.

Ausblick
Zum Abschluss der Zukunftskonferenz „Humanoide Roboter“ des VDI Wissensforums wurde deutlich, dass humanoide Roboter noch ein hohes Forschungs- und Entwicklungspotential bieten. Dabei kommt den Wissenschaftlern eine große Verantwortung zu, denn die komplexen Systeme um Roboter und künstlicher Intelligenz werden unsere Zukunft prägen. Wichtig sei es, tatsächliche Möglichkeiten aufzuzeigen und die wissenschaftlich messbare Wahrheit dazulegen. Ein Hype um dieses sensible Thema muss vermieden werden, um gesellschaftlich sachliche Diskussionen zu ermöglichen.

Weitere Robotik Veranstaltungen des VDI Wissensforums finden Sie hier.

Bild: privatlukas_kluyAutor: Lukas Kluy studiert Maschinenbau an der TU Darmstadt und engagiert sich ehrenamtlich als Arbeitskreisleiter im VDI Bezirksverein Frankfurt-Darmstadt e.V.

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