Wandel in der Robotik: Von determinierten stationären Industrierobotern zu autonomen mobilen Robotern

Die Welt der Robotik verändert sich zurzeit massiv. Die Entwicklung geht mit riesigen Schritten voran - Roboter werden immer selbstständiger und übernehmen Aufgaben, die bislang noch viel zu komplex für Maschinen waren. Doch worin unterscheiden sich die Roboter von morgen von denen, die schon seit Jahrzehnten in unseren Fabriken stehen?

Das Wort Roboter kommt aus dem Slawischen und bedeutet „arbeiten“. Und genau dazu ist die technische Einrichtung da: dem Menschen (mechanische) Arbeit abzunehmen. Seit den ersten Entwürfen von roboterähnlichen Maschinen aus dem 16. Jahrhundert bis zur heutigen Robotertechnik hat sich viel getan. Der erste programmierbare Roboter entstand Ende der 1950er Jahre. Bereits 20 Jahre später wurden Roboter in größerem Umfang in der Automobilindustrie eingesetzt, vor allem für Schweißarbeiten und Handhabungsaufgaben. Diese sogenannten Industrieroboter sind meist stationäre Roboter für die mechanische Fertigung, die für sich ständig wiederholende Bewegungsabläufe eingesetzt werden.

Die Maschine besteht im Allgemeinen aus einem Manipulator (Roboterarm), der Steuerung und einem Effektor (Werkzeug, Greifer etc.). Industrieroboter verfügen über mehrere frei bewegliche Achsen, sogenannte Freiheitsgrade, mit der die Roboter komplexe Bewegungen in einem definierten dreidimensionalen Arbeitsraum ausführen können. Die Bewegungen sind hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei programmierbar.

Ein Industrieroboter wird in der Regel einmal programmiert und ist dann in der Lage, einen festgelegten Arbeits- bzw. Bewegungsablauf repetitiv durchzuführen. Der stationäre Roboter bewegt sich deshalb auf fest programmierten Bahnen und braucht meist keine Sensoren. Werden Sensoren eingesetzt, kann der Roboter die Ausführung der Aufgabe abhängig von den Informationen der Sensoren in Grenzen variieren, zum Beispiel indem er den Druck, mit dem er einen Gegenstand greift, anpasst. Diese Form der Robotik bedarf Schutzmaßnahmen für den Menschen, zum Beispiel in Form von Schutzgittern mit gesicherten Schutztüren oder Lichtschranken, weil enorme Kräfte freigesetzt werden.

Eine besondere Form stellen die Montageroboter dar, da sie in der Lage sind, die Art und Reihenfolge der auszuführenden Handlungen zu variieren, zum Beispiel beim Fügen von Bauteilen. Solche Industrieroboter mit Problemlösungsverhalten bilden die Vorstufe zu mobilen Robotern, die über die Fähigkeit verfügen, sich selbst zu bewegen, meist mithilfe eines Fahrwerks, das mit Rädern oder Raupenketten ausgestattet ist. Der Roboter bewegt sich entweder auf Schienen oder durch Rohrleitungen bzw. wird entlang von Leitlinien geführt. Letzteres ist vor allem bei Transportrobotern (carrier) der Fall, welche die elektrischen Leitungen im Boden sensorisch Abtasten.

Am Ende dieses langen Entwicklungsprozesses steht eine neue Generation von Robotern, die sich grundlegend von ihren Vorgängern unterscheidet. Ihr Einsatz ist nicht länger auf strukturierte, kontrollierte Umgebungen begrenzt. Autonome mobile Roboter sind in der Lage, in Echtzeit auf ihre ihnen unbekannte Umgebung zu reagieren.

Standen in der Industrierobotik bislang Kriterien wie Wiederholgenauigkeit, Kraft und Schnelligkeit im Mittelpunkt, sind nun Flexibilität, Anpassungsfähigkeit und Selbstständigkeit gefordert. Anstelle einprogrammierter Befehlsfolgen für die Lösung ein und desselben Problems, werden dem Roboter nur Regeln vorgegeben, mit denen er die ihm gestellten Aufgaben autonom lösen kann. Die Grundlage dafür, dass der Roboter selbstständig seine Handlungen in Echtzeit planen kann, bildet seine Wahrnehmung mittels Sensoren, zum Beispiel mit Kameras, Triangulationssensoren, Laserscannern oder Ultraschall- und Infrarot-Entfernungsmessgeräten. Um sich in einer ihm unbekannten Umgebung zurechtzufinden, erkundet der mobile Roboter zunächst seine Umwelt und legt das Wissen, das er während seiner Bewegungen erwirbt, in einer Art elektronischen Karte ab. Mit dieser Karte kann der mobile Roboter anschließend seinen optimalen Pfad planen.

Das Neue an dieser Form der Robotik liegt also darin, dass der Roboter eine vorgegebene Aufgabe autonom löst und selbständig Entscheidungen treffen kann. Der Roboter kann folglich – mithilfe seines internen Weltbildes – auf wechselnde Anforderungen und Problemstellungen seiner dynamischen Umwelt reagieren und sein Verhalten dementsprechend anpassen – ohne Änderungen von außen am softwaretechnischen System.

Die Forschung geht in Richtung kognitive Robotik, bei der insbesondere die Fähigkeit des autonomen Lernens im Fokus steht. Der Roboter soll in die Lage versetzt werden, zuvor erworbene Erfahrungen zu generalisieren und zu bewerten, beispielsweise indem er ein ihm bekanntes Objekt in einer neuen Situation und zu einem neuen Zweck nutzt. Dazu gehört auch die Möglichkeit, nicht vorhersehbare Probleme zu lösen. Der Roboter der Zukunft nimmt immer stärker wahr, was in seiner Umwelt passiert und handelt bewusster und selbstständiger. Statt einfach nur zu reagieren, kommt der effizienten Planung von Handlungen eine immer größere Bedeutung zu. Durch Kooperation und Interaktion mit anderen autonomen Maschinen sollen schwierige Aufgaben durch Arbeitsteilung gelöst werden, wobei auch die Frage nach einer höheren Gruppenintelligenz gestellt wird. Auf lange Sicht könnte der Roboter sogar ein maschinelles Bewusstsein entwickeln, also ein Bewusstsein seiner selbst – und damit die Grenzen zwischen Mensch und Maschine weiter verwischen.

Die Einsatzmöglichkeiten für intelligente autonome Roboter sind vielfältig. Eines der prominentesten Beispiele sind selbstfahrende Kraftfahrzeuge. Autonom fahrende Autos nehmen ihre Umgebung mithilfe verschiedener Sensoren wahr und können aus den so gewonnen Informationen ihre Position und die anderer Verkehrsteilnehmer bestimmen. Zusammen mit der Navigationssoftware und einem Anti-Kollisionssystem sollen sie die Straßen in naher Zukunft sicherer machen. Solche Fahrerlosen Transportsysteme (FTS) sind bereits im Industriebereich für den automatischen Materialtransport im Einsatz. Ein autonomes FTS findet selbstständig und ohne äußere Vorgaben einen Weg vom aktuellen Standort zum gewünschten Fahrtziel und kann auf Situationen und Ereignisse, die während der Fahrt auftreten, reagieren.

Einen darüber hinausgehenden Ansatz verfolgt das Robotik-Startup Magazino mit seinem mobilen Kommissionier-Roboter TORU. Der Roboter ist nicht nur in der Lage, sich autonom durch das Warenlager zu bewegen, sondern kann selbstständig Artikel aus dem Regal entnehmen.

Aber auch im Bereich Katastrophenschutz und Terrorprävention gibt es bereits mobile Aufklärungsroboter, in der Tiefsee suchen Robotersysteme selbstständig nach Rohstoffen und führen Inspektionen durch, im Militärbereich operieren autonome Drohnen und Serviceroboter wie Rasenmäh- oder Staubsaugerroboter halten zunehmend Einzug in unser tägliches Leben.

Wie groß die Herausforderungen für Roboter in komplexen und chaotischen Umgebungen aber immer noch sind, zeigte sich auch dieses Jahr wieder bei der DARPA Robotics Challenge. Bereits 1980 postulierte der Robotik-Spezialist Hans Moravec das Paradox, dass Roboter zwar komplexe Berechnungen durchführen können, aber bei einfachen Bewegungsmustern schnell an die Grenzen ihrer Fähigkeiten bzw. Rechnerkapazitäten stoßen (Moravec'sche Paradox). Eine besondere Schwierigkeit stellt dabei das Greifen von Gegenständen in einer komplexen Umgebung dar. Bis also jeder einen persönlichen Roboter-Butler zu Hause sein Eigen nennen kann oder Terminator-ähnliche Kampfmaschinen in den Krieg ziehen werden, wird es wohl noch einige Zeit dauern.