• Crashtest-Dummy für Versuchszwecke.

    Crashtest-Dummy für Versuchszwecke.

  • Sobald der Roboterarm mit der Hand von Dr. Sami Haddadin kollidiert, bremst er ab und zieht sich zurück.

    Sobald der Roboterarm mit der Hand von Dr. Sami Haddadin kollidiert, bremst er ab und zieht sich zurück.

  • Der Humanoid Toro hatte, ganz wie ein Mensch, nach einer Vorführung gerade Pause als das ke-NEXT-Team eintraf. Der zweibeinige Roboter ...

    Der Humanoid Toro hatte, ganz wie ein Mensch, nach einer Vorführung gerade Pause als das ke-NEXT-Team eintraf. Der zweibeinige Roboter ...

  • ... steckt in dem beinbasierten System dieselbe Technologie wie in den Leichtbauarmen. Auch er soll ...

    ... steckt in dem beinbasierten System dieselbe Technologie wie in den Leichtbauarmen. Auch er soll ...

  • ... soll zukünftig Astronauten beispielsweise bei gefährlichen Arbeiten an Satelliten entlasten. Dazu ...

    ... soll zukünftig Astronauten beispielsweise bei gefährlichen Arbeiten an Satelliten entlasten. Dazu ...

  • ... bei seinen Bewegungen von der Feinfühligkeit der Leichtbauarme profitieren.

    ... bei seinen Bewegungen von der Feinfühligkeit der Leichtbauarme profitieren.

  • Für die Grundlagen­forschung: Fünffingrige Roboterhand.

    Für die Grundlagen­forschung: Fünffingrige Roboterhand.

  • Preisfrage: Warum benötigt der Mensch ausgerechnet fünf Finger und warum reichen nicht drei? Um dies zu verstehen, hat ein Kollege von Dr. Haddadin seine eigene Hand nachempfunden.

    Preisfrage: Warum benötigt der Mensch ausgerechnet fünf Finger und warum reichen nicht drei? Um dies zu verstehen, hat ein Kollege von Dr. Haddadin seine eigene Hand nachempfunden.

  • Die verschiedenen Generationen von Leichtbauarmen nebeneinander.

    Die verschiedenen Generationen von Leichtbauarmen nebeneinander.

  • Leichtbauarm an einem Hubschrauber.

    Leichtbauarm an einem Hubschrauber.

  • Sichere Mensch-Roboter-Kolloboration im Automobilbau: Der Roboter weiß, in welchem Raum er sich bewegen darf und wo nicht und mit welcher maximalen Geschwindigkeit. Kommt ihm der Mensch in die Quere, bremst er innerhalb von Millisekunden ab.

    Sichere Mensch-Roboter-Kolloboration im Automobilbau: Der Roboter weiß, in welchem Raum er sich bewegen darf und wo nicht und mit welcher maximalen Geschwindigkeit. Kommt ihm der Mensch in die Quere, bremst er innerhalb von Millisekunden ab.

Sie sollen einmal ins All reisen und dort Reparaturen vornehmen. Oder in der Industrie als bezahlbare Automatisierungslösung gemeinsam mit Menschen arbeiten. Damit dies klappt, müssen sie nachgiebig und sicher sein und in Leichtbauweise entstehen. ke NEXT wollte mehr wissen und reiste zum Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt nach Oberpfaffenhofen bei München.

Dass ausgerechnet Roboter feinfühlig sind, damit rechnet man normalerweise nicht. Aber genau daran forscht Dr. Sami Haddadin mit seinem Team von der Human-Centered-Robotics-Forschungsgruppe am Oberpfaffenhofener Standort des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Genauer gesagt: Haddadin und seine Mitarbeiter entwickeln eine neue Generation von Leichtbaurobotern, die sicher und nachgiebig ist, und damit auf unvorhergesehene Fälle flexibel reagiert. Die Roboter sollen zukünftig Menschen als Assistenten unterstützen, beispielsweise bei der industriellen Montage und Fertigung, oder in der Medizin. Und, wenn es nach dem Willen der Forscher geht, sollen die Roboter in Zukunft ins Weltall reisen und dort einige gefährliche Aufgaben der Astronauten, wie beispielweise Reparaturen an Satelliten, übernehmen.

Die Inspiration vom Menschen holen

Als Vorbild für die Roboter dient dabei der Mensch. „Wir kennen eigentlich nichts Besseres als den Menschen“, sagt Haddadin. „Der Mensch ist das einzige System, das in der Lage ist, derartig feinfühlige Operationen überhaupt durchzuführen. Die Idee war, dass man sich von den kinematischen, dynamischen und auch sensoriellen Kernfeatures vom Menschen inspirieren lässt und diese auf die Robotik überträgt“, so der Ingenieur. „Im Gegensatz zu unseren Leichtbaurobotern ist der Mensch jedoch nicht modular aufgebaut und sein Verhalten im Kontaktfall ist nicht ganz einfach mathematisch zu beschreiben.“ Deshalb versucht sein Team zu verstehen, wie der Mensch seine Feinfühligkeit und seine Taktiliät, also seinen Tastsinn, einsetzt, um Probleme lösen zu können. Teilweise betreibt das Institut, das bereits erfolgreich Leichtbauroboter für die Industrie entwickelt hat, deshalb echte Grundlagenforschung. Wie beispielsweise bei einer nachgebauten fünffingrigen Hand, anhand derer es die Komplexität der menschlichen Hand verstehen und am Ende herausfinden möchte, wie man sie funktional abstrahieren kann. Das klingt zunächst einfach, doch tatsächlich benötigt man Jahre, um zu verstehen, warum der Mensch fünf Finger braucht.

Robonaut im Weltall

Christian Ott, der Kollege von Haddadin, entwickelt am DLR den gut 75 Kilogramm schweren Humanoiden Toro, also einen kraftgeregelten (Torque) menschenartigen Roboter mit zwei Beinen. Als Robonaut soll er später die Astronauten im Weltall bei gefährlichen Arbeiten unterstützen. Zwei Beine taugen hier besser als ein radbasiertes System oder ein sechsbeiniger Roboter, weil ein Zweibeiner leicht auf engen Umgebungen oder über am Boden liegende Objekte steigen kann. Für Toro nutzt er dieselben Technologien, wie sie in den Leichtbauarmen vorhanden sind. „Wir haben im Prinzip von der Hüfte bis zum Knie genau die Segmente aus dem Leichtbauarm verwendet“, sagt Ott. „Nur für den Unterschenkel mussten wir dann eine neue Konstruktion machen. Jedoch sind die Aktuator-Einheiten – sprich: Motor, Getriebe, Sensoreinheiten – dieselben wie aus dem Leichtbauroboterarm. Nur die Kinematik ist eine andere. Wir haben im Prinzip einen starken Motor mit einem schwachen Motor kombiniert, um ein Fußgelenk zu implementieren.“ Auch bei Toro haben sich die Entwickler grob am Menschen orientiert. Allerdings verfügt der Humanoid im Arm, um Gewicht zu sparen, nur über sechs Freiheitsgrade, während der Mensch sieben besitzt, weil er seinen Ellenbogen noch bewegen kann. Dafür ist in ihm die gleiche Sensorik wie im Leichtbauarm eingebaut. Das heißt, auch beim Toro lässt sich die gleiche feinfühlige Regelung implementieren. „Man spürt in jedem Gelenk die externen Kräfte über einen Drehmomentsensor. Zusätzlich hat er auch im Fuß noch einen Kraftsensor. Das verbessert dann noch mal die Kraftregelung im Bodenkontakt“, so Ott.

Hintergrundwissen

Forschung am DLR

Der DLR-Standort Oberpfaffenhofen zählt neben dem Standort Köln zu den größten Forschungszentren in Deutschland. Acht wissenschaftliche Institute sind auf dem Areal in der Nähe Münchens ansässig.

Das DLR-Institut für Robotik und Mechatronik zählt europaweit zu den größten und erfolgreichsten seiner Art. Sein Hauptaugenmerk legt es auf den Weltraum: In einigen Jahren sollen in Oberpfaffenhofen entwickelte Roboter ins All geschickt werden, die einige der gefährlichen Aufgaben von Astronauten übernehmen können. Angedacht ist dabei insbesondere der Bau eines Robotersatelliten, der aus eigener Kraft Tausende von Kilometern zurücklegen und so auch weit entfernte Satelliten erreichen und reparieren kann.

Weitere Infos finden Interessierte unter: www.dlr.de/rm

Feinfühlig im All und in der Industrie

Doch warum muss ein Weltallroboter feinfühlig sein? Ein Grund ist, dass man zusätzlich zu der Armbewegung auch die damit verbundene Eigenbewegung des Körpers berücksichtigen muss. Die Feinfühligkeit soll hier helfen, um auf leichte Ungenauigkeiten reagieren zu können. Aber nicht nur Weltall, sondern auch bei Industrieanwendungen benötigt man Feinfühligkeit. Denn wenn Roboter künftig mit Menschen in der Produktion zusammenarbeiten sollen, müssen sie sicher sein, damit den Menschen nichts passiert. Wobei man zwischen gefühlter und wirklicher Sicherheit unterscheiden muss. Denn eine Roboterbewegung kann zwar gefühlt sicher aussehen, aber in Wirklichkeit verletztend sein. Oder umgekehrt. Um herauszufinden, wie Robotermasse, -geschwindigkeit, -geometrie und Verletzungen an verschiedenen Körperteilen des Menschen zusammenhängen, und weil weder Biomechanik- noch Medizininstitute Antworten auf die Frage, wann eine Roboterbewegung gefährlich ist oder nicht, geben konnten, haben Haddadin und sein Team verschiedene Simulationen und Crashtests mit Dummys durchgeführt, bevor sich der Ingenieur schließlich selbst als Testperson zur Verfügung stellte. Als einen wichtigen Aspekt haben sie dabei auch die Klemmung betrachtet, die oft vernachlässigt worden war.

Anhalten, wenn‘s schief läuft

Die gewonnenen Informationen speiste das Team im Anschluss zurück, um den Roboter auf eine sichere Geschwindigkeit zu regeln. Anders als bei schweren, massigen Industrierobotern steckt also am Ende bei den feinfühligen Leichtbaurobotern viel Arbeit in der modellbasierten Regelung. „Der Roboter weiß sehr genau, wie schwer er ist, wie sich seine Trägheit ändert – je nachdem wie er sich bewegt. Und auch, wo seine Nachgiebigkeiten sind und zu welchen Effekten sie führen“, sagt Haddadin. Die modellbasierte Regelung und die in den Gelenken vorhandenen Drehmomentsensoren nutzt das Team beispielsweise zur Schwingungskompensation. Kamerasensoren vermeiden die Kollision. Und weil Rechnermöglichkeiten in den letzten zehn Jahren enorm gestiegen sind, kann das Team die Kollisionsdetektion so implementieren, dass der Roboter sogar schneller als der Mensch reagiert. „Eine Kollisionsdetektion bei uns dauert eine Millisekunde – detektieren, umschalten. Und schon haben Sie darauf reagiert. Bei einem Menschen dauert es minimal 60 Millisekunden“, sagt Haddadin. Damit am Ende alle von den Erfahrungen profitieren, wurden die Algorithmen und Untersuchungen in die ISO TS 15066 eingebracht. Daneben forschen Haddadin und sein Team daran, wie Roboter sich selbst über Lernverfahren optimieren können. Der Roboter soll sich also selbst programmieren können, wenn er beispielsweise mehrfach etwas fallen lässt und der Mensch es ihm wiederholt gibt. Das europäische Forschungsprojekt, bei dem die großen Wissenschaftler in Europa an einem Strang ziehen, nennt sich Saphari – safe autonomies human aware physical human robot interaction.

„Feinfühlige Roboter sind der Weg, um die Arbeitsplätze wieder zurück nach Deutschland zu holen. Das ist ein großes politisches Statement, das man jetzt auch bei der Robotik setzt.“

Dr. Sami Haddadin, DLR Oberpfaffenhofen

Der Mensch denkt, der Roboter unterstützt

Dass die Zukunft den feinfühligen Leichtbaurobotern gehört, dessen ist sich Haddadin sicher. Weil sie ergonomisch schwierige Aufgaben übernehmen und außerdem über die Automatisierung Arbeitsplätze zurück nach Deutschland holen können. Im Focus steht unter anderem, dass die Roboter auch für den Mittelstand und kleinere Unternehmen bezahlbar sein sollen. Die Intelligenz soll nach Haddadin aber der Mensch in die Produktion einbringen: „Auf lange Sicht wäre es eine tolle Sache, wenn die Automation einen Beitrag dazu leistet, dass wir die menschlichen Fähigkeiten, über die unsere Fachkräfte verfügen, besser ausschöpfen.“

Autor: Angela Unger, Redaktion

ke NEXT hakt nach

Drei Fragen an Dr. Sami Haddadin, Wissenschaftlicher Koordinator,  Human-Centered Robotics, am DLR-Standort Oberpaffenhofen

Dr. Sami HaddadinWo sehen Sie Einsatzmöglichkeiten in der Industrie?
Leichtbauroboter werden ja bereits, zum Beispiel bei Daimler in Sindelfingen und in Untertürkheim betrieben. Aber es gibt eben auch Beispiele, wo ihr Einsatz noch nicht erfolgt ist, jedoch großes Potenzial besteht. Es ist ja insbesondere in der feinfühligen Montage unglaublich viel bisher nicht automatisiert, und dorthin möchte man nun mit dem Leichtbauroboter vordringen. Überdies gibt es den großen Markt kleiner und mittelständischer Unternehmen, die komplexe Automationslösungen bisher nur sehr begrenzt einsetzen. Es existieren in KMUs bisher kaum Roboter, da die Installation der entsprechenden Arbeitszellen in der Regel sehr teuer ist. Das bedeutet, dass Sie, wenn Sie eine Zelle aufbauen, typischerweise das Problem haben, dass der Roboter vielleicht 20.000 oder 30.000 Euro kostet, die gesamte Zelle selbst jedoch bis zum Zehnfachen. Für ein kleines Unternehmen ist das ist eine enorme Investition. An dieser Stelle kommt die Idee des sicheren schutzzaunlosen Betriebs ins Spiel. Also ein Leichtbauroboter, der bildlich gesprochen aus der Box genommen wird, auf den Tisch gestellt und montiert wird und schon geht’s los. Keine Zellen, keine Sicherheitszäune, keine großen Integratoren und leichte Programmierung.

Sie haben ja auch Crashtests mit Robotern am eigenen Leib durchgeführt. Inwieweit hängen Sicherheit und Markt zusammen?
Die Grundidee ist ja, völlig neue Märkte für die Robotik durch ihren flexiblen schutzzaunlosen Einsatz zu erschließen. Hierbei spielt eben die sichere Mensch-Roboter-Interaktion eine große Rolle. Das heißt, wenn Sie grundsätzlich die Schutzzäune loswerden wollen, dann müssen Sie sich einfach Gedanken darüber machen: Was kann im schlimmsten Fall durch die direkte Interaktion von Mensch und Maschine passieren? Wie kriegen wir die Problematik systematisch in den Griff? Kann man die Vorgehensweise zertifizieren? Was genau muss man zertifizieren? Grundsätzlich muss garantiert werden, dass den Menschen nichts passiert, aber gleichzeitig ist die Wirtschaftlichkeit natürlich extrem wichtig, um so die Wettbewerbsfähigkeit in Deutschland zu erhalten. Das heißt auch, wenn Sie ausgewanderte Produktion wieder nach Deutschland holen wollen, wird eine flexible Produktion mit feinfühligen Robotern benötigt.

Heißt das: Ein Teil der Arbeit wird ersetzt durch den Roboter und beide arbeiten so, dass der Mensch nicht geschädigt wird?
Ich denke, dass sich die Produktion eher grundlegend ändern wird. Grundsätzlich entstehen durch diese neue Art der Produktion neue Arbeitsplätze, welche die rein manuelle Produktion in Niedriglohnländern durch die Kombination und Kollaboration von Mensch und Roboter ersetzen können. Das bedeutet, dass Arbeitsplätze geschaffen werden, die Mensch und Roboter sich teilen, und die Teilaufgaben entsprechend ihrer jeweiligen Fähigkeiten zugeordnet werden. Abgesehen davon kann die Robotik auch bei Tätigkeiten, die sehr anstrengend und ergonomisch schwierig sind, helfen. Da wir in Deutschland hochqualifizierte, extrem gut ausgebildete Fachkräfte haben, können wir diese neue Art der flexiblen Mensch-Roboter-Kollaboration einsetzen, um die Problematik zu entschärfen und neue Lösungen anzubieten. Im Klartext bedeutet es zum Beispiel, dass der Mensch für die Prozessüberwachung zuständig ist, also die schwierigen Aufgaben, die sehr viel Kognition und fundiertes Expertenwissen, benötigen. Der Roboter führt das aus, was der Mensch nicht machen möchte oder sollte.