Roboter gestalten die Realitat neu
Die Grenzen zwischen Mensch und Maschine verschieben sich.
Erlebe, wie Maschinen ihre Umgebung wahrnehmen, Informationen verarbeiten, Entscheidungen treffen, sich bewegen und wie man sich mit ihnen zusammenarbeiten kann. Robots are evolving from a key technology to the physical world from industrieller robots and mobile storage robots to medical systems, space robots and humanoid machines.
In Robotik verknüpfen sich Maschinenbau, Elektronik, Software, Sensorik, Steuerungssysteme und zunehmend, künstliche Intelligenz. Moderne Robotersysteme sind in der Lage, die Umgebung zu erfassen, die Sensordaten zu interpretieren, Handlungen zu planen, Motoren und Aktoren zu steuern und auf Veränderungen zu reagieren. Damit wird der Roboter aber nicht nur als eine bewegende Maschine gesehen, sondern als ein komplexes System, der/das Information aufnimmt und daraus physische Aktionen ableitet.
Was ist Robotik-Technologie?
Die Robotik ist ein interdisziplinäres Bereich, der sich mit mechanischen Komponenten, Elektronik, Software und intelligenten Steuerungen beschäftigt. Um seine Umgebung und den Zustand des Roboters zu "sehen", muss er Sensoren haben; um daraus Bewegungen zu erzeugen, Aktoren (wie Motoren, Räder, Gelenke, Greifer); um sie zu verarbeiten, Rechenleistung. Gleichzeitig ist ein stetiger Rückkopplungsprozess in place, so dass das System seine Aktionen anhand von neuen Sensordaten überprüfen und – falls notwendig – korrigieren kann.
Die Wahrnehmung ist dabei der Beginn. Kameras, Lidar-Systeme, Kraftsensoren und andere Sensoren sammeln Informationen über die Umgebung. Algorithmen analysieren diese Informationen und entscheiden, was als Nächstes gemacht werden soll. In Antriebssysteme übertragen sie dann die Entscheidung in physische Bewegung, die Rückkopplung liefert ihnen neue Informationen und ermöglicht Anpassungen.
Die Komponenten eines Roboters
Der moderne Roboter ist ein Zusammenspiel von verschiedenen technischen Komponenten. Die Sensoren, wie Kameras, Lidar, Radar, Encoder, Mikrofone, Kraftsensoren und Inertialsensoren, nehmen Informationen der Umgebung und des Maschinenzustands auf. Die Daten werden von Prozessoren und Steuerungen verarbeitet und Modelle für Wahrnehmung, Planung, Steuerung und künstliche Intelligenz durchgeführt.
Aktoren verbinden digitale Entscheidung und die physische Welt. Bewegungen werden erzeugt wie durch Motoren, Hydrauliksysteme etc., die diesen Bewegungen einen bestimmten Zielcharakter verleihen. Roboter benötigen eine zuverlässige Energieversorgung, die sie z.B. mit Batterien, elektrische Systeme oder externen Stromquellen beziehen.
Eine weitere zentrale Komponente ist die Steuerung. Steuerungsalgorithmen übersetzen gewünschte Bewegungen in konkrete Befehle, und korrigieren Abweichungen während des Betriebs. Zum direkten Kontakt mit Objekten durch Endeffektoren, wie Greifer, Werkzeuge oder besondere Aufsätze.
Die Konnektivität ist ein weiterer Bereich in vernetzten Umgebungen. Roboter can communicate with other machines, cloud systems and as well as Flottenmanagementplattformen. Sicherheitsmechanismen wie Not-Aus-Funktionen, Schutzsensorik, softwareseitige Begrenzungen etc. müssen dafür sorgen, dass Risiken im Betrieb kontrolliert werden.
Verschiedene Robotertypen
Robotik ist keine einzelne Technologie. S. Roboter werden nach Umweltskala, Aufgabe, Bewegungsform, Autonomiegrad und erforderlicher Interaktion entwickelt.
Industrieroboter sind eine von den am längsten etablierten Formen. Schweiß-, Lackier-, Montage-, Verpackungs- und Materialtransporte sind nur einige der Aufgaben, die stationäre Roboterarme erfüllen. Sie eignen sich ideal für hoch dynamische Produktionsumgebungen und -prozesse, die hohe Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit erfordern.
Kollaborative Roboter, oder Cobots, gehen einen anderen Weg. Sie sind für Arbeitsabläufe entwickelt, in denen Menschen und Maschinen enger zusammenarbeiten. Flexible Robotersysteme unterstützen dabei lohnt sich bei den Bereichen Montage, Inspektion und Materialhandhabung, wobei Sicherheitsfunktionen eine große Bedeutung haben.
Mobile Roboter rollen oder krabbeln auf Rädern oder Ketten und sind in der Lage sich zu bewegen in Fabriken, Lagerhallen, Betriebsgelände oder in anderen Umgebungen. Sie benötigen Verfahren, mit denen sich sie orientieren, kartieren, und in einigen Fällen koordinieren können. Die humanoide Roboter gehen einen Schritt weiter und richten sich teilweise nach dem Menschen, wenn es um die Form des Körpers oder die Bewegungstechniken geht. Die beiden Grundlagen der Forschung sind die zweibeinige Fortbewegung, Manipulation und natürliche Mensch-Roboter-Interaktion.
Die Robotik ist auch im Gesundheitsbereich an Bedeutung zu gewinnen. Medizinische Robotersysteme haben die Möglichkeit, Chirurgen zu unterstützen, bei der Rehabilitation zu finden oder bei Aufgaben in Diagnostik, Medikamentenlogistik und Patientenbetreuung. Im Agrarsektor werden autonome Systeme zur Überwachung von Kulturpflanzen, zur Feldnavigation und Aussaat, zur Ernte sowie für präzise Behandlungsmaßnahmen eingesetzt.
In extremen Umgebungen, in denen Entfernung, Strahlung und andere Faktoren es für Menschen schwierig machen, direkt zu arbeiten, Weltraumroboter and Rover are used to do the job. Sie können wissenschaftliche Messungen machen, Proben analysieren oder Oberflächen erkunden. Roboter für die Unterwassererkundung, -kartierung und -inspektion – wie etwa ROVs und AUVs – können hingegen dazu eingesetzt werden, Meeres- und Tiefwasserumgebungen zu erforschen und zu kartieren.
KI + Robotik: Wo Software auf die reale Welt trifft
KI kann sich Robots helfen, komplexe Umgebungen zu verstehen und Muster in Daten zu erkennen. Durch Robotik werden diese digitalen Fähigkeiten aber auch einem physischen Körper gegeben, in dem Informationen in handlungsrelevante Aktionen transformiert werden.
Mit Computer Vision kann ein Roboter Objekte, Personen, Oberflächen und Merkmale einer Szene erkennen und sichern sich anhand der Daten der Kameras. Navigations- und Lokalisierungsverfahren helfen mobilen Robotern dabei, ihre Position zu bestimmen, Karten zu erstellen und geeignete Wege zu finden.
Die natürliche Interaktion gewinnt an Bedeutung. Sprachschnittstellen haben die Möglichkeit, die Bedienung von bestimmten Robotsystemen zu vereinfachen und Menschen die Möglichkeit zu geben, Aufgaben oder Anweisungen auf natürlichere Weise zu übermitteln. Maschinelles Lernen kann auch angewandt werden bei Wahrnehmung, Vorhersage und ausgewählten Steuerungs– und Planungsaufgaben.
Planungsalgorithmen dekomponieren abstrakte Ziele in konkrete Bewegung- bzw. Handlungsschritte. Immer neue Informationen liefern Sensoren. Dadurch kann ein Roboter seine Aktionen an Veränderungen in der realen Welt anpassen, anstatt nur eine vorher festgelegte Sequenz abzuarbeiten.
Wo Robotik Arbeit und Alltag verändert
Es ist längst nicht mehr nur die klassische Fabrikhalle, in der Robotik zum Einsatz kommt. Roboter in der Produktion in Montage, Schweißen, Lackieren, Inspektion, Verpackung und Maschinenbeschickung. Sie können im Bereich der Gesundheitsversorgung bei chirurgischen Eingriffen, Rehabilitation, Krankenhauslogistik oder Laborprozessen unterstützen.
Es zeigt sich eine besonders starke Entwicklung im Bereich der Lagerhaltung. Mobile Roboter können Waren transportieren, die Weiterentwicklung von Kommissionierprozessen unterstützen und dazu beitragen, den Warenfluss im Lager effizienter zu gestalten. In der Landwirtschaft sind autonome Maschinen in der Lage, Felddaten zu sammeln und wiederholte Aufgaben gezielt zu unterstützen.
Neue Anwendungen im Bauwesen entstehen auch. In Inspektions-, Vermessungs-, Materialtransport- und speziellen Fertigungsprozessen kann man Robotersysteme verwenden. Sie können sicheres Gebäude oder gefährliche Bereiche untersuchen in der Katastrophenhilfe, ohne dass Einsatzkräfte den gleichen Risiken ausgesetzt sind.
Weitere Einsatzgebiete sind die Weltraumforschung. Rover und Roboterarme können Planeten, Monde und Orbitalumgebungen untersuchen. Im Einzelhandel und bei der Zustellung können Roboter Waren transportieren oder innerhalb von Gebäuden bestimmte Liefer- und Serviceaufgaben übernehmen.
Es geht wie ein autonomer Roboter
Die Funktionsweise eines autonomen Roboters kann man sich am besten als eine Schleife vorstellen. Das System nimmt seine Umgebung wahr. Die Kameras, Abstands-, Bewegungs-, Kraft- und andere Sensoren geben Informationen über den Stand der Situation.
Diese Rohdaten werden dann interpretiert. Software makes attempts to extract information about objects, obstructions and the state of the robot from it. Das System dann wählt hierauf eine Karte, einen Arbeitsbereich oder ein Ziel, zu dem sie sich positionieren möchte.
Dadurch ist ein Planungsmodul in der Lage, ein passende Route oder Handlungsabfolge zu wählen. Der Plan wird dann in Befehle für Motoren, Gelenke, Räder, Greifer oder Werkzeuge übersetzt und zugeführt.
Der Prozess aber endet damit nicht. Wird das erwartete Verhalten mit den neuen Sensordaten verglichen, dann wird kontinuierlich gemessen. Should the environment change or an action not happen as intended, the system adjusts its action and the flow adapts. Wahrnehmung, Interpretation, Planung, Handlung und Rückkopplung ergeben sich so in einem sich wiederholenden Regelkreis.
Vorteile – und Zielkonflikte
Die Robotik hat das Potenzial, einen erheblichen praktischen Nutzen zu bieten, bringt jedoch auch technische, wirtschaftliche und gesellschaftliche Herausforderungen mit sich. Einer der potentiellen Vorteile ist die gleichmäßige Durchführung von wiederholten Aufgaben. Roboter können zudem in schwer zugängliche, gefährliche oder unzugängliche Umgebungen navigieren sowie in bestimmten Fertigungs- und Medizinanwendungen ein hohes Maß an Präzision bieten.
In bestimmten Anwendungen können Robotersysteme über längere Zeiträume betrieben werden, sofern sie für den jeweiligen Einsatzzweck ausgelegt sind und das Sicherheitskonzept geeignet ist. Sie eröffnen neue Möglichkeiten für wissenschaftliche Erkundungen, Inspektionen und Aufgaben, die für Menschen eine Herausforderung darstellen würden.
Es sind jedoch einige große Aufgaben auf ihn zu. Komplexe Robotersysteme können in der Anschaffung teuer sein, und Installation, Wartung sowie technische Anpassung erfordern Fachwissen. Roboter können außerdem Schwierigkeiten bekommen, wenn sie mit Situationen konfrontiert werden, die außerhalb ihrer vorgesehenen Auslegungsparameter liegen.
Dort ist deshalb eine breite Testung, geeignete Maßnahmen und laufende Vor-Ort-Beobachtung gefordert. Darüber hinaus kann die Automatisierung Aufgaben in der Arbeit und Anforderungen an Qualifikation ändern. Auch bei vernetzten Systemen gewinnen die Themen Verantwortung, Datenmanagement, Cybersicherheit und Datenschutz an Bedeutung.
Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter – Sicherheit, Ethik und Zusammenarbeit
Das gute Robotiksystem wird nicht nur nach der Leistung der Maschine bewertet. Wichtig ist auch, wie die Person mit ihr umgeht, welche Risiken sich ergeben können und auf welche Weise das System auf Fehler oder auf unerwartete Situationen reagiert.
Der erste Schritt zur Physische Sicherheit ist eine sorgfältige Risikobeurteilung. In der Entwicklung vieler Anwendungen ist es unmöglich, auf Schutzmaßnahmen, kontrollierte Bewegungen und Notfallsteuerungen zu verzichten. In the case of connected robots, the cyber security is added to the mix. Die sichere Kommunikation, Zugriffskontrollen, Software-Updates und Überwachung sollen verhindern, dass technische Systeme durch unberechtigten Zugriff gefährdet werden.
Auch Datenschutz ist ein Thema der Bedeutung, wenn Roboter Kameras und Mikrofone beigebracht werden, von denen sie bestimmte Informationen aus ihrem Umfeld aufzeichnen und speichern können. Bei anspruchsvollen oder risikoreichen Aufgaben ist es entscheidend festzulegen, wann und wie Menschen eingreifen, Überprüfungen vornehmen oder die Kontrolle übernehmen.
Die Zukunft der Robotertechnologie
Die Hardware, Software, Energieversorgung und die Einbindung in den realen Arbeitsablauf werden die nächsten Schritte zu einem neuen Schritt in der Robotik. Wesentlich ist auch, dass Roboter vielseitiger werden, sie nicht nur eine einzige sehr genau definierte Aufgabe erfüllen, sondern flexibler auf Variationen in der Situation reagieren.
Die manipulative Arbeit mit Objekten wird auch zunehmend an Bedeutung gewinnen. Verbesserte Wahrnehmung und präzisere Steuerung könnten Roboter dabei unterstützen, Objekte mit verschieden gestalteten Körpern, Materialien und Positionen sicher zu greifen und zu bewegen.
Natürliche Schnittstellen haben gleichzeitig die Möglichkeit, die Mensch-Maschine-Interaktion zu verändern. Sprache, Gesten und visuelle Benutzeroberflächen schaffen Möglichkeiten, Robotersysteme einfacher anweisen und überwachen zu können.
Ein weiterer Bereich sind Roboterflotten. Mehrere autonome Maschinen lassen sich koordinieren, um große logistische Aufgaben, kartierungs- oder inspektionstechnische Aufgaben oder andere Aufgaben zu übernehmen.
Edge-Robotik ist ebenfalls in der Aufwertung. Im Fall von mehr Rechenleistung, die direkt auf dem Roboter zur Verfügung steht, kann das System auch bei unsicheren Cloud-Verbindungen zeitkritische Aufgaben teilweise autonom durchführen.
Berufe in der Robotik
Im Bereich der Robotik, der stark interdisziplinär geprägt ist, gibt es viele berufliche Wege. Robotikingenieure bauen funktionierende Roboter zusammen, indem sie mechanische, elektrische und softwaretechnische Systeme zusammensetzen. Steuerungsingenieure programmieren Algorithmen, die Motoren, Gelenke und das Verhalten eines Systems steuern.
Computer-Vision-Ingenieure entwickeln maschinenlesbare Bilder und Sensordaten, Autonomieingenieure mit Wahrnehmung, Planung, Navigation und selbstständigem Verhalten. Maschinenbauingenieure konstruieren Roboterkonstruktionen, Mechanismen, Gelenke und Endeffektoren.
Embedded-Software-Ingenieure haben auch eine wichtige Funktion, weil sie hardwarenahe Software und elektronische Systeme entwickeln, mit denen Roboter gesteuert werden. Robotiktechniker installieren, warten und kalibrieren Anlagen, assistieren bei Fehlerbehebung. Auch in der Forschung entwickeln sich neue Manipulations-, Fortbewegungs-, maschinelles Lern- und Mensch-Roboter-Interaktionsmethoden.
Robotik auf einen Blick
Ein Roboter muss nicht zwingend "humanoid" sein. Humanoide Systeme sind ein Bereich in einem ganz großen Bereich der Robotik. Es ist weiterhin die aufgabenspezifische Form, die der industriellen Praxis dominiert und die in bestimmten Bewegungen bzw. Arbeitsabläufen optimiert ist.
Autonomie ist auch keine binäre Möglichkeit. In different applications, a robot system may be fully remote-controlled, partially autonomous, monitored or designed for a higher autonomy.
Daraus ergibt sich ein großer Stellenwert für Simulation. Virtuelle Umgebungen lassen Ingenieure Algorithmen, Layouts und Roboterverhalten testen, bevor man ein System in der realen Welt deployt. Man kann dadurch gewisse Fehler früh erkennen, und Entwicklungsprozesse effizienter organisieren.
Erfolgreiche Robotik braucht aber auch Hardware und Software. Nur die mechanische Zuverlässigkeit ist nicht ausreichend, wenn Sensorik, Steuerung oder Software mit unerwarteten Situationen nicht umgehen kann. Umgekehrt kann intelligente Software ihre Fähigkeiten nur dann zuverlässig einsetzen, wenn die physische Plattform entsprechend konstruiert ist.
