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- Herausgeber: FISCHER Digital
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2016
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Seitenzahl: 142
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Alois Knoll | Thomas Christaller
Robotik
FISCHER Digital
Inhalt
Grundriss
1 Einführung
Wann gibt es endlich einen Roboter – der 1920 vom Schriftsteller Karel Capek geprägte Begriff leitet sich vom tschechischen Wort für Zwangsarbeit her –, der zuverlässig meine Wohnung saugt und meine Fenster putzt? Oder einen solchen, der den Tisch abdeckt, die Spülmaschine einräumt und dann auch noch das Bad reinigt? Wäre es nicht möglich, dass er sich zumindest ab und zu auch der Kindererziehung widmet?
Solche Fragen werden nach einigen Jahrzehnten der Robotik-Forschung zu Recht immer wieder und nur halb im Scherz gestellt. Um die Antwort vorweg zu nehmen: In unmittelbarer Zukunft wird es solche Roboter nicht geben; dazu sind die zu lösenden Probleme zu komplex. Und dennoch sind die Fortschritte, die in den letzten Jahren erzielt wurden, beachtlich. Noch vor zwei Jahrzehnten wurde der Begriff des Roboters entweder mit realen »freiprogrammierbaren Handhabungsautomaten« bar jeglicher Intelligenz oder aber mit fiktiven Maschinen menschlicher Gestalt (Androiden) verbunden, gegenüber deren Intelligenz die menschliche nur wie ein Durchgangsstadium der Evolution wirkte. Der Abstand zwischen beiden Welten schien unüberbrückbar.
Inzwischen stellt sich die Situation jedoch anders dar, denn die Technik kleiner Rechner zur Robotersteuerung ist um Größenordnungen leistungsfähiger geworden, und auch ihre Programmierung ist wesentlich komfortabler und effizienter möglich, als zur Anfangszeit der Mikroprozessortechnik jemals erträumt. Hinzu kommt der enorme Fortschritt der Mechatronik (die Verbindung von Mechanik und Elektronik). Roboter sind heute ungleich robuster, präziser und wesentlich zuverlässiger geworden als in den Pionierzeiten. Ganz neue Klassen von Apparaten sind entstanden: mobile Roboter (Fahrzeuge für innen und außen, Flug- und Unterwasserroboter, Spezialsysteme für Aufgaben wie Fassadenputzen), Mikroroboter; darüber hinaus Teilsysteme wie anthropomorphe Arme und Mehrfingerhände – Meisterwerke der Präzisionsmechanik.
Auf Grundlage solcher Ingenieurleistungen ist in den Forschungsdisziplinen der Signalverarbeitung, Mustererkennung, Künstlichen Intelligenz sowie in jüngster Zeit auch der Neurobiologie und Hirnforschung eine Vielfalt von Methoden, Verfahren und Systemen entstanden, die die Übertragung perzeptiver, kognitiver und aktorischer Leistungen, wie wir sie bei einfachen Lebewesen beobachten können, auf mechanische Systeme zum Ziel haben. Tatsächlich ist bereits eine ganze Reihe von Robotern im Einsatz, die – abgesehen vielleicht von spektakulären Raumfahrtanwendungen – weitgehend unbemerkt von der Öffentlichkeit in gefährlichen oder unzugänglichen Umgebungen im Routineeinsatz Dienstleistungen erbringen, die Menschen erheblich entlasten.
Allerdings haben solche Serviceroboter entgegen vielfacher Vorhersagen und unterschiedlichster Realisierungsansätze noch kaum einen Grad an Autonomie erreicht, der ihren großflächigen Einsatz im industriellen, öffentlichen oder gar privaten Bereich erlauben würde. Die bisher verfügbaren Systeme sind in vielerlei Hinsicht nicht »intelligent« genug, um in einem von Menschen geprägten Szenario aus dynamischen Umgebungen, Anforderungen und Aufgaben »überleben« und eine sinnvolle Tätigkeit ausüben zu können, die mehr als nur die elementare Fähigkeit zur Ortsveränderung verlangt.
Es ist inzwischen weitgehend akzeptiert, dass echte Adaptation und mithin »Intelligenz« sich nur dann ausprägen können, wenn Roboter-Artefakte nicht nur über situierte Reaktionsfähigkeiten und ein hohes Maß an Handlungsautonomie verfügen, die sich ihrerseits auf leistungsfähige Sensorik samt (Vor-)Verarbeitung abstützt, sondern auch über einen anpassungsfähigen Körper mit flexiblen »Gliedmaßen«. Idealerweise sind sie darüber hinaus mit der Fähigkeit ausgestattet, ihre reichhaltigen motorischen Handlungsmöglichkeiten über ihre ›Lebensspanne‹ zu entwickeln; dies als sehr langfristige Perspektive möglicherweise sogar in einem entsprechend sich entwickelnden, mitwachsenden Körper.
Die bislang bei der Automatisierung von Produktion und Dienstleistung erzielten Erfolge sind außerordentlich und beileibe nicht nur auf die publikumswirksamen Applikationen der Automobilindustrie beschränkt. Obwohl die vollständige Roboterunterstützung aller Produktionsprozesse wohl noch einige Zeit auf sich warten lässt, und sie in manchen Bereichen sogar kontraproduktiv wäre, begründet die Qualität der realisierten und zu erwartenden Roboter-Anwendungen durch ihre zum Teil enormen Produktionsfortschritte nichts weniger als eine weitere industrielle Revolution. Mit den Worten von P. Kennedy: »In vieler Hinsicht sind die Ähnlichkeiten zwischen der Dampfmaschine und dem Roboter auffallend. Beide stellen eine neue Herstellungsmethode dar, die zugleich die physischen Anstrengungen der Arbeiter reduziert und die allgemeine Produktivität erhöht. […] Wie die Dampfmaschine beeinflusst die Robotik die internationale Konkurrenz, sie hebt die Pro-Kopf-Produktion der Nationen, die in die neue Technologie investieren, und sie schwächt auf längere Sicht die relative Position von Gesellschaften, die nicht in der Lage sind, dies zu tun.«
2 Einsatzbereiche von Robotern
Die Robotik gründet sich auf zwei »Basistechniken«: Telemanipulatoren und die Technik der numerischen Steuerung von Werkzeugmaschinen (NC: Numerical Control, bzw. CNC: Computer NC). Telemanipulatoren sind von Menschen ferngesteuerte Maschinen, die gewöhnlich aus einem Arm mit einem Greifer bestehen. Ihre Bewegungen folgen direkt den Bewegungen, die der Bediener an einer an seinem Arm und seiner Hand befestigten Steuereinheit vormacht. Die ersten dieser Maschinen wurden Ende der vierziger Jahre zur Handhabung radioaktiven Materials eingesetzt. Die Technik der numerischen Steuerung erlaubt es, die Achsen einer Werkzeugmaschine präzise in Bezug auf ein Koordinatensystem zu bewegen, wobei die anzufahrenden Punkte als Folge von Koordinaten ursprünglich auf einem Lochstreifen kodiert wurden. Diese Technik wurde zuerst 1952 durch eine Arbeitsgruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) eingeführt, deren weitere Arbeiten zur ersten Programmiersprache für die Programmierung von Werkzeugmaschinen führten (APT: Automatic Programmed Tools). Die Kombination beider Techniken führte zum ersten »programmierbaren Manipulator«, ein Arm, dessen Achsbewegungen numerisch gesteuert werden. Der erste nach diesem Prinzip arbeitende Industrieroboter wurde 1961 installiert, ab Mitte der sechziger Jahre wurden diese Maschinen dann kommerziell vertrieben.
2.1 Industrieroboter
Industrieroboter sind heute für die unterschiedlichsten Aufgabenklassen (Schweißen, Tragen, Palettieren, Säubern, Verpacken, Montieren) in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen (Automobil, Elektrotechnik, Lebensmittel, Schiffbau) verfügbar. Weltweit werden jährlich etwa 80000 bis 100000 stationäre Industrieroboter verkauft, der Gesamtbestand beträgt gegenwärtig knapp eine Million. Der Hauptabnehmer ist in den meisten Ländern die Automobilindustrie mit ihren relativ einfachen Tätigkeiten; es ist jedoch damit zu rechnen, dass ihr Anteil sinken wird, weil sich mit der langsamen Einführung von Sensoren und kognitiven Fähigkeiten die Anwendungsmöglichkeiten und Absatzmärkte deutlich erweitern werden.
Es ist bemerkenswert, dass die Entwicklung der gesamten für Industrieroboter wichtigen Technologien in den USA stattgefunden hat, gegenwärtig dort aber nur noch ein wichtiger Produzent seinen Sitz hat. Die technologische Führungsrolle fällt den Europäern zu, sie stellen zwei der drei größten Hersteller, der dritte hat seinen Sitz in Japan.
Abb. 1: Mars Exploration Rover (MER) der NASA. Dieser mobile Roboter dient zur mikroskopischen Erfassung der Planetenoberfläche mit Blick auf mögliche frühere Wasservorkommen (Landung im Januar 2004).
2.2 Mobile Roboter
Die Entwicklung mobiler Roboter gründet einerseits in dem Wunsch, Transportvorgänge in Produktionsprozessen zu automatisieren, zum anderen in der Absicht, Fahrzeuge im freien Gelände autonom fahren zu lassen. Ersteres führte Ende der siebziger Jahre zur Entwicklung fahrerloser Transportsysteme (FTS), die in Fabrikhallen verschieden große Objekte zu den einzelnen Bearbeitungsstationen bewegen können. Sie orientieren sich mit Hilfe bestimmter ausgezeichneter Punkte im Raum (die z.B. von Laser-Scannern detektiert werden) oder entlang eines in den Boden eingelassenen Metallbandes.
Interesse an der autonomen Fahrt im freien Gelände hat vor allem das Militär, in gewissem Umfang (zur Unterstützung des Fahrers in kritischen Situationen) auch die Autoindustrie. In jüngerer Zeit sind weitere Formen der Fortbewegung hinzugekommen: von ein- und mehrbeinigen »Hüpfmaschinen« Anfang der achtziger Jahre bis hin zu den »insektoiden« Mehrbeinern, die nach biologischem Vorbild modelliert wurden.
Praktische Anwendungen finden sich hier in der Fortbewegung im unwegsamen Gelände oder in Kanalröhren; erwähnt seien auch die (halb-)autonomen Meeresroboter. Seit wenigen Jahren sind radgetriebene mobile Roboter für die Bewegung in Gebäuden kommerziell erhältlich, neben der Verwendung für Forschungszwecke dienen sie zunehmend als Plattform für Servicedienste (Holen und Bringen) etwa in Krankenhäusern; eine Reihe weiterer Service-Anwendungen verlassen gerade das Experimentalstadium.
2.3 Roboter für Weltraum und Tiefsee
Die Ausführung von Handhabungsoperationen in für Menschen temporär oder permanent unzugängliche Zonen stellt die Robotik vor besondere Herausforderungen. Drei Bereiche haben es dabei bereits heute im zivilen wie militärischen Bereich zu einiger Bedeutung gebracht: Roboter für den Einsatz im Meer, Roboter in Nuklearanlagen und Roboter im Weltall – erdnah oder im tiefen Raum. In Zukunft werden sich noch weitere Einsatzfälle entwickeln, die einen unterschiedlichen Grad an Autonomie bzw. »shared control« erfordern, wie etwa die Handhabung von (gefährlichen) Substanzen in biotechnologischen Anlagen, polizeiliche Aufgaben, Simulatoren für Training und Spiel oder Entspannung und Vergnügen, Fernsteuerung von Schiffen, Zügen oder Flugzeugen.
Tiefseetaugliche Roboter finden Verwendung bei Bergungs-, Wartungs- und Explorationsaufgaben. Dabei handelt es sich durchweg um Teleoperatoren, die entweder außen an einer konventionellen Unterseekapsel angebracht sind und von der Besatzung aus deren Innerem gesteuert werden, oder aber um unbemannte Einheiten. Letztere werden üblicherweise aus dem Mutterschiff gesteuert und sind für sehr große Tiefen geeignet. Dabei besteht die besondere Herausforderung darin, das Fahrzeug während der Ausführung der Handhabungstätigkeiten in stabiler Position zu halten. Vor dem Hintergrund der Ausbreitung menschlicher Infrastrukturen im Meer (Pipelines, Windkraftanlagen, Förderung von Rohstoffen) wird die Bedeutung automatisch navigierender und autonom operierender Roboter sicher zunehmen. Dies gilt ebenso für Roboter, deren Aufgabe in der permanenten Aufnahme von Klima- und Wasserdaten für Forschungs- und Prognosezwecke besteht.
In Nuklearanlagen werden Roboter als Teleoperatoren schon seit Jahrzehnten eingesetzt. Neben der Handhabung von radioaktivem Material bei der Anreicherung kommt dem Einsatz zur Reparatur bzw. zum Katastrophenmanagement eine gewisse Bedeutung zu. Ein wesentliches Hilfsmittel sind Roboter aber bei der Demontage von nukleartechnischen Anlagen. Gegenwärtig dauert der Abbau eines Kernkraftwerks viele Jahre – gäbe es leistungsfähigere Roboter mit ausreichenden kognitiven Fertigkeiten, ließe sich dieser Zeitraum aller Voraussicht nach erheblich verkürzen.
Im Weltall finden Roboter ein ideales Betätigungsfeld, ist doch der Einsatz von Menschen nirgendwo sonst teurer, aufwendiger und anstrengender. Dabei sind im Wesentlichen zwei Klassen von Robotersystemen zu unterscheiden: zum einen Roboter, die sich in unmittelbarer räumlicher Nähe zu einem Bediener befinden und solche, bei denen eine große Entfernung zwischen beiden besteht, so dass wegen der Signallaufzeiten eine Fernsteuerung schwierig oder unmöglich wird (Abb. 1). In die erste Klasse, deren Anforderungen an Geschicklichkeit und Steuerbarkeit sich nicht wesentlich von erdgebundenen Systemen unterscheiden, fallen Systeme zum Einfangen/Aussetzen von Satelliten oder zum Aufbau von Strukturen im All. Ein 15 m langer Roboterarm kanadischer Konstruktion »Canadarm« mit sechs Gelenken war schon mehrfach bei Flügen des Spaceshuttles im Einsatz. Die internationale Raumstation ISS verfügt über einen Arm mit fast 18 m Länge und sieben Freiheitsgraden, der zudem auf einer Translationsschiene längs der ISS verschoben werden kann. Auf der ISS kommt ferner ein kleinerer zweiarmiger Roboter zum Einsatz, der die Astronauten bei schwierigeren Handhabungsaufgaben bei Außeneinsätzen unterstützt. Gegenwärtig ist die NASA dabei, mit dem »Robonaut« einen humanoiden Roboter zu entwickeln, der über zwei mehrfingrige Hände und einen Kopf verfügt (Abb. 2). Er hat bislang keine eigenständige Möglichkeit zur Fortbewegung, sondern ist ortsfest. Er soll in der Lage sein, in Zusammenarbeit mit einem anderen Robonauten oder Astronauten komplexere Vorgänge auszuführen, wie etwa das Montieren von Trägern für Strukturen.
Abb. 2: Links der »Robonaut« der NASA; rechts montieren Robonauten mit einem Astronauten eine Tragstruktur im Labor.
Abb. 3: Der Mars-Rover »Sojourner« der NASA (Landung auf dem Mars, 4. Juli 1997).
In die zweite Klassen fallen Roboter zur Satellitenwartung, zur Durchführung von Experimenten auf nur zeitweise besetzten Stationen und zur Exploration fremder Planeten im tiefen Raum. Eine seit langem verfolgte Vision besteht darin, Roboterarme auf einem unbemannten Satelliten zu montieren und damit Reparaturaufgaben an anderen Weltraumkörpern vornehmen zu können. Diese »freeflying servicers« können prinzipiell aus einer Raumstation heraus oder von der Erde gesteuert werden.
Die größten Anforderungen an die Realisierung der Autonomie stellen die Roboter, bei denen eine Beeinflussung von einer fernen Bodenstation aus, wenn überhaupt, so doch bestenfalls in großen Zeitabständen möglich ist. Dies sind typischerweise Roboter, die auf einem fremden Planeten ausgesetzt werden, sich dort in weitgehend oder vollständig unbekannter Umgebung orientieren und dabei selbständig Messungen vornehmen sollen. Zu einiger Bekanntheit brachte es der mobile Roboter »Sojourner«, der bei der Mars-Pathfinder-Mission der NASA zwischen dem 4. Juli und dem 26. September 1997 mehrere kurze Fahrten um das Landemodul herum unternahm und dabei mehr als 500 Bilder auf die Erde sandte (Abb. 3). Er war mit drei Kameras und einem Spektrometer ausgerüstet. Obwohl seine Lebensdauer länger war als vorausberechnet, ergaben sich doch erhebliche Probleme bei seiner Steuerung. Es zeigte sich insbesondere, dass nicht für alle Eventualitäten Fehlerbehebungsroutinen vorhanden waren, und es war äußerst zeitaufwendig, Fehler von der Erde aus zu beheben (die einfache Signallaufzeit betrug hier je nach Abstand zwischen Mars und Erde zwischen 10 und 20 Minuten). Es konnte nicht geklärt werden, warum die Kommunikation schließlich zusammenbrach, vermutlich war der Roboter in ein kleineres Loch gefahren. Zweifellos wird hier bei künftigen Missionen ein erheblich höheres Maß an Redundanz und Intelligenz zur Fehlerbehebung (etwa basierend auf einem genauen Selbstmodell des Roboters) erforderlich sein. Sinnvoll wäre es wohl auch, mehrere Roboter loszuschicken, die sich notfalls gegenseitig helfen können.
2.4 Humanoide und persönliche Roboter für Service und Ausbildung
Bei den humanoiden Robotern begann die Entwicklung in Japan mit dem ersten primitiven »Torso« (Wabot-I, 1970 bis 1973) über den mit Händen und Füßen Orgel spielenden Wabot-II (1980 bis 1984) bis zu den aktuellen japanischen Modellen, die bereits über einfache kognitive Fähigkeiten verfügen. Gleiches gilt für den Humanoiden »Cog« des Labors für Künstliche Intelligenz des Massachusetts Institute of Technology (MIT), der seit 1994 entwickelt wird. Einer breiteren Öffentlichkeit bekannt wurden die Humanoiden der Firma Honda, deren erster 1997 vorgestellt wurde. Sie werden von einem menschlichen Bediener gesteuert, können aber selbständig laufen und Treppen steigen. Den gegenwärtigen Stand repräsentiert wohl am eindrucksvollsten der Humanoide der Firma Kawada (Abb. 4), der aus einem langjährigen Forschungsprojekt der Universität Tokio hervorging. Er ist nicht nur in der Lage, aus dem Liegen aufzustehen, sondern er kann auch mit Menschen zusammen einfache Tätigkeiten ausführen, wie etwa das Tragen einer Holzplatte. Die Konstruktion solcher Systeme mit dem Ziel der vollständigen Autonomie wird in weiten Kreisen nach wie vor als »Science-Fiction« betrachtet; dennoch ist es nicht schwierig vorauszusehen, dass Teilbaugruppen (wie Arm/Handsysteme und Köpfe – möglicherweise auch versehen mit Rädern), in fernerer Zukunft vielleicht auch komplette Humanoide, als »personal robots« Eingang in unser Alltagsleben finden werden – zuerst nur für spezielle Aufgabennischen, dann als immer universeller instruier- und verwendbare »Maschinensklaven«. Aus heutiger Sicht ist bei aller Begeisterung für das Erreichte jedoch nicht zu leugnen, dass weder Leistungsgewicht noch der verwendete Energiezyklus erwarten lassen, dass dies mit den bereits realisierten Maschinen auch nur im Ansatz möglich sein wird. Ebenso ist kaum abzusehen, wie die für Autonomie im Sinne der Formulierung innerer Motive und einen intelligenten Austausch mit dem Menschen erforderlichen kognitiven Leistungen erbracht werden können.
Abb. 4: Oben »Asimo« der Firma Honda beim Treppensteigen, rechts der Prototyp des HRP-2 der Firma Kawada.
2.5 Roboter für medizinische Nutzung
Die potentiellen Einsatzmöglichkeiten für Roboter-Techniken in der Medizin sind überaus vielfältig. Seit etwa zehn Jahren werden Einsatzmöglichkeiten in der Chirurgie diskutiert; in der Orthopädie werden Roboter gelegentlich bei der Durchführung von Hüftoperationen und vereinzelt auch schon für Rehabilitationszwecke eingesetzt. Von besonderem Interesse sind Roboter überall dort, wo eine besondere Präzision erforderlich ist, etwa bei der Gesichtschirurgie oder bei der Bestrahlung. Allerdings ist der Roboter-Einsatz in der Chirurgie bislang daran gekoppelt, dass sich das zu operierende Organ in absoluter Ruhe befindet. Obwohl sich leistungsfähige Techniken zur Navigation in Entwicklung befinden, die die präzise örtliche Steuerung bzw. Nachführung von Roboter-Effektoren auch bei mehr oder weniger leichten Bewegungen des Patienten gewährleisten sollen, ist die nötige Präzision bislang nur erreichbar, wenn das Organ oder der Körperteil fest fixiert wird, was die Einsatzmöglichkeiten stark einschränkt. Direkt in Abhängigkeit von den Fortschritten bei der Navigation könnte sich also eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten bei weiteren Organen ergeben. Von besonderer Bedeutung ist generell der exakte Abgleich zwischen dem Bild, welches zum Diagnosezeitpunkt vom Patienten mit Hilfe verschiedenster Verfahren gemacht wurde, und dem Bild, von dem das Robotersystem ausgeht, während es den Arm über dem Patienten navigiert – ein schwieriges Problem, denn weder die absolute Lage des Patienten relativ zum Roboter ist bekannt, noch ist der Mensch ein starres Objekt.
