Prof. Dr. Jan Peters (Intelligente Autonome Systeme am Fachbereich Informatik) entwickelt zusammen

Prof. Dr. Jan Peters (Intelligente Autonome Systeme am Fachbereich Informatik) entwickelt zusammen mit seinem Team Lernalgorithmen für humanoide Roboter. Durch Wahrnehmen und Nachahmen können Roboter aus der Bewegungsdatenbank neue Arbeitsabläufe zusammensetzen, so dass ein teures Neuprogrammieren entfällt. Im Bild: Prof. Peters demonstriert einem zweihändigen Robotersystem die nötigen Schritte, um IKEA Möbelstücke zusammenzusetzen. Dieses derzeit modernste Robotersystem besitzt alle mechanischen Freiheitsgrade eines Menschen. Die grünen Fingerkuppen der linken Hand sind mit Fingerabdrücke ausgestattet und ermöglichen menschenähnliches Fingerspitzengefühl (Bild: Katrin Binner / TU Darmstadt).

Schwer heben, stark zupacken, lange halten – insbesondere für ältere Beschäftigte sind diese Aufgaben eine Herausforderung und heute manchmal ein Grund, früher als geplant in Rente zu gehen. Das könnte sich in Zukunft ändern: Forscher der TU Darmstadt entwickeln zusammen mit Partnern einen selbstlernenden Roboterarm, welcher als des Menschen dritte Hand agiert.

Ein Roboterarm soll erfahrenen Fachkräften kraftraubende und sich stupide wiederholende Bewegungen abnehmen. So kann das qualifizierte Personal im Unternehmen vor allem sein Know-how und seine Kreativität einsetzen. In dem EU-Projekt „3rd Hand“ erforscht und entwickelt ein Konsortium Grundlagen der semi-autonomen Zusammenarbeit von Mensch und Roboter. An der TU Darmstadt wirkt ein Team um Professor Jan Peters vom Fachgebiet Intelligente Autonome Systeme im Fachbereich Informatik an diesem Projekt mit.

Ziel ist, dass der Roboterarm Abläufe durch Nachahmung und menschliche Anleitung lernt. Hierfür werden einzelne Bewegungseinheiten als sogenannte Movement Primitives kodiert, generalisiert und ausgeführt. Dadurch kann der Roboter Bewegungsabläufe, die ihm demonstriert wurden, an verschiedene Situationen selbst anpassen, ohne dabei den Charakter der Bewegung einzubüßen. In einer Schreinerei könnte der Roboter einer Mitarbeiterin beispielsweise schwere Teile anreichen, auch wenn Teil und Mitarbeiterin dabei nicht immer exakt am gleichen Ort stehen.

Wie eine solche Kooperation vom Prinzip her aussehen könnte, zeigt folgendes Video:

Um entscheiden zu können, wann und wie der Roboter Menschen unterstützen kann, ist es notwendig, die Interaktion mit dem Menschen in die Bewegungseinheit einzubeziehen. Der Roboter kann beispielsweise den Bewegungsablauf „Teil anreichen“ unaufgefordert starten, sobald die Mitarbeiterin ein bestimmtes Werkzeug in die Hand nimmt. Die Forscher des Fachgebiets Intelligente Autonome Systeme in Darmstadt entwickeln hierfür neue, interaktive Bewegungseinheiten: die Interaktionsprimitive.

Selbstlernender Roboter: Teures Neuprogrammieren entfällt

Zusätzlich soll die derzeit kostspielige Neuprogrammierung eines Roboters durch natürliche Interaktion mit Fachkräften ersetzt werden. Auch hier erarbeitet das Fachgebiet neue Methoden: So wird zum Beispiel ein vollständig demonstrierter Arbeitsablaufs automatisch unterteilt. Die dadurch entstehenden Einzelbewegungen werden in einer für den Roboter verständlichen und wiederverwendbaren „Bewegungsdatenbank“ abgelegt. Fachkräfte können intuitiv – durch einfaches Zeigen von Abläufen – programmieren und Roboter als dynamische und anpassungsfähige Arbeitshilfen nutzen.

In einem ersten Schritt haben die Wissenschaftler der TU Darmstadt, der Universität Innsbruck und der Universität Stuttgart unter der Projektleitung des französischen Instituts INRIA ihre Forschung aufeinander abgestimmt. Schwerpunkt der Darmstädter ist die Optimierung der Bewegungskontrolle. Einen ersten Test haben die Methoden, welche der Armkontrolle zugrunde liegen, erfolgreich bestanden: Bei der ersten Zwischenevaluation konnte der Arm dabei helfen, einen kleinen Ikea-Stuhl zusammenzubauen.

Heute führen Roboter vor allem in großen Fabriken immer gleiche Bewegungsabläufe aus, ohne in direkten Kontakt mit Menschen zu kommen. Als dynamische, lernfähige „Dritte Hand“ wäre Roboterunterstützung auch für europäische Mittelständler interessant. Als künstliche Helfer könnten sie die Fertigung individueller Produkte in kleiner Serie wieder rentabel machen und der Abwanderung in Billiglohnländer entgegenwirken. do

Autorin: Anne Grauenhorst, TU Darmstadt