Robotik - Ausbildung und Forschung

Quelle / Source: TU Chemnitz

Roboter mit menschlichen Zügen anlernen

Damit Roboter den Menschen mehr und mehr Arbeiten abnehmen können, müssen sie das dafür notwendige Verhalten erlernen. „Trainer“ für diese Aufgabe werden seit dem Wintersemester 2019 an der Technischen Universität Chemnitz ausgebildet. Wissenschaftler der Professur Künstliche Intelligenz haben den in seiner Ausprägung in Deutschland einzigartigen Master-Studiengang Neurorobotik entwickelt.

Während sich die klassische Robotik mit der Umgebungswahrnehmung und der darauf basierenden Roboterregelung befasst und hauptsächlich mechanische Leistungen automatisiert, setzt sich die Neurorobotik mit lernfähigen Komponenten auseinander. Der Studiengang geht noch einen Schritt weiter und nutzt neben klassischen neuronalen Netzen neurokognitive Netze, die sich stärker an der biologischen Gehirnfunktion orientieren. Somit werden die Felder Robotik, Neurowissenschaften und Künstliche Intelligenz vereint, um flexible lernfähige Roboter nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns und mit Methoden des Maschinellen Lernens zu schaffen.

Das viersemestrige Studium vermittelt Wissen in den Themenfeldern Künstliche Intelligenz / Neurokognition, Sensorik und Robotik sowie Software und Regelungstechnik. Voraussetzung für eine Zulassung ist ein Bachelor-Abschluss in einer technischen Richtung, idealerweise mit Informatik- bzw. Elektrotechnik-Vorbildung. Die beruflichen Perspektiven sind vielfältig. Ein erfolgreicher Abschluss qualifiziert für attraktive Tätigkeiten in nahezu allen Wirtschaftsbereichen. Vor allem in Mobilitätsbranchen, im Maschinenbau, in der Elektrotechnik, bei der Entwicklung von autonomen Systemen und KI-Dienstleistungen werden Neurorobotiker gebraucht.

     

Mobile Roboter werben gemeinsam für ein Studium der Robotik in Freiberg. (Quelle: Technische Universität Bergakademie Freiberg)

Quelle: Technische Universität Bergakademie Freiberg

Talentschmiede für diplomierte Robotik-Ingenieure

Schon heute sind Roboter längst keine alleinige Domäne der Auto- und Elektronikfabriken mehr, sondern dienen Menschen auch im Alltag: Sie mähen den Rasen, helfen in Museen und Pflegeheimen als Lotsen aus oder erkunden Orte, die für Menschen zu gefährlich sind wie etwa Bombenfundplätze oder havarierte Kernkraftwerke. Und künftig werden diese künstlichen Helfer noch enger mit Menschen zusammenarbeiten – zum Beispiel bei medizinischen Operationen oder komplizierten Montageaufgaben – und sich vor allem als autonom agierende Roboter neue Einsatzfelder erobern. Der Diplomstudiengang Robotik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg bereitet angehende Ingenieure darauf vor, diesen technologischen Wandel interdisziplinär mitzugestalten. Der Studiengang kombiniert dazu mathematische und naturwissenschaftliche Grundlagen mit Informatik, Elektrotechnik und Maschinenbau. „Aus unserer Sicht ist Robotik DIE Zukunftstechnologie“, betont Fachberater Prof. Heinrich Jasper von der Bergakademie. „Absolventen dieses Studiengangs sind gefragte Experten in allen Wirtschaftszweigen.“

Das Studium dauert in der Regelstudienzeit zehn Semester, umfasst auch ein Praxissemester und führt hin zum Abschluss als Diplomingenieur. Zu den Schwerpunkten gehören unter anderem intelligente, lernende, autonome, humanoide und kollaborative Roboter sowie deren Sensorik und Aktorik. Angesiedelt ist der Studiengang an der Fakultät für Mathematik und Informatik. Absolventen haben gute Chancen auf interessante Karrieren in Industrieunternehmen, Logistik, Transportwesen, im Dienstleistungssektor, aber auch in der Roboter-Entwicklung und -Herstellung.

    

Quelle / Source: TU Chemnitz / Jacob Müller

Quelle: TU Chemnitz / Jacob Müller

Feinfühliger greifen, stabiler laufen und sicherer mit Menschen interagieren

Roboter, die feinfühliger greifen, stabiler laufen und sicherer mit Menschen interagieren als ihre bisherigen Artgenossen, sind ein Forschungsfeld der Wissenschaftler an der Professur Robotik und Mensch-Technik-Interaktion der Technischen Universität Chemnitz. Sie arbeiten daran, dass solche technischen Helfer in Zukunft vielfältig angewendet werden können, z. B. in der Industrie, in Kliniken und Pflegeeinrichtungen, beim Einkaufen oder bei der Paketzustellung.  Dafür entwickeln sie neue mechatronische Systeme und wenden moderne Methoden aus der KI-Forschung an, um einen für den Menschen intuitiven und effizienten Umgang mit technischen Systemen zu erreichen.

Diese Kompetenzen bringt die Professur in den Sonderforschungsbereich "Hybrid Societies" ein. In dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Vorhaben untersuchen Wissenschaftler aller Fakultäten der TU Chemnitz, wie spontane Begegnungen zwischen Menschen und mit intelligenten digitalen Technologien ausgerüsteten „Körpern“ wie Robotern, Drohnen oder hochautomatisierten Fahrzeugen in öffentlichen Räumen reibungslos gestaltet werden können. Das ist ein neuer Ansatz, denn bisher kommen Robotik-Anwendungen vor allem für genau definierte Aufgaben in abgegrenzten Bereichen zum Einsatz.

Um die bisher ungelösten Herausforderungen für ein koordiniertes Miteinander von Menschen und zunehmend eigenständig handelnden Maschinen in öffentlichen Räumen zu bewältigen, ist Interdisziplinarität gefragt. So bringen in dem Forschungsverbund Psychologen und Ingenieure, Mathematiker und Linguisten, Informatiker und Kommunikationswissenschaftler ihre Expertise ein, um die Interaktion hybrider Gesellschaften auf der Straße, im Park oder in öffentlichen Gebäuden nach menschlichen Bedürfnissen und Fertigkeiten auszurichten und die dazu nötigen technischen Innovationen voranzubringen.

    

Quelle / Source: Barkhausen Institut gGmbH

Quelle: Barkhausen Institut gGmbH

Das Spiel mit dem Roboter

Der Roboter ist im Airhockey-Spiel kaum zu schlagen. Der Puck rauscht über das Spielfeld, er reagiert wie ein Mensch, nur fehlerlos und um ein Vielfaches schneller. Doch ändert der Spieler die Funkverbindung des Roboters von 5G auf 4G oder nur 3G verliert der Roboter seine Reaktionsschnelligkeit. Grund für die Zeitverzögerung ist die so genannte Latenz. Diese ist bei 3G viel größer als beim aktuellen Mobilfunkstandard 5G, den Nutzer von ihrem Handy kennen. 

Diese Art Demonstrator, der Wissen über moderne Technologien spielerisch vermittelt, wird vom Connected Robotics Labor des Barkhausen-Instituts Dresden entwickelt. Denn die gesellschaftliche Akzeptanz zukünftiger vernetzter, autonomer, robotischer Systeme hängt maßgeblich von der Einbeziehung des Menschen in den Entwicklungsprozess ab. Das Barkhausen-Institut entwickelt dafür interaktive Demonstratoren für eine erfolgreiche Wissenschaftskommunikation. Als unabhängige Forschungseinrichtung, gegründet von Prof. Gerhard Fettweis, betreibt das Barkhausen-Institut anwendungsorientierte Grundlagenforschung im Bereich des Internets der Dinge (IoT). In enger Zusammenarbeit mit der TU Dresden werden neuartige und lösungsorientierte Technologien entwickelt, welche das Internet der Dinge zukünftig sicherer und verlässlicher machen sollen. 

Neben den vom Connected Robotics Labor entwickelten Demonstratoren, bietet das eigens gegründete OpenLab des Barkhausen Instituts vielfältige Möglichkeiten, moderne Technologien selbst zu erleben und mitzugestalten. Am Standort in einer historischen Dresdner Villa zeigen verschiedene Versuchsaufbauten Besucher, wie verlässlich Roboter sind und wie sicher das Internet der Dinge sein kann. Besucher können an einem interaktiven Panorama die Anwendungen des IoT multimedial erfahren. Ein interaktiver Demonstrator für das autonome Fahren illustriert die Wichtigkeit von Kommunikation in der Fahrzeugwelt. So sollen die Besucher für die wichtigen Themen des IoT sensibilisiert werden. 

    

„Geschüttelt, nicht gerührt“ auf Roboter-Art

Ein Drink an der Bar – „geschüttelt, nicht gerührt“ – genauso zubereitet, wie ihn jeder Superagent gerne trinkt. Doch in dieser Bar bekommt der Barkeeper Hilfe von einem Cobot, einem kollaborierenden Roboter. Im Centre for Tactile Internet with Human-in-the-Loop (CeTI) der Technischen Universität Dresden ist der Cobot live zu sehen. Er arbeitet mit den Menschen zusammen – in unmittelbarer Nähe, ohne Schutzvorrichtungen, denn seine Sensoren erspüren Hindernisse und schalten ihn im Ernstfall automatisch ab. Der Cobot besteht aus einem Gelenkarm mit silberner und orangener Plastikhülle, das macht ihn freundlicher als nackte Metallarme. Mittels eines Sensorhandschuhs wird er von einer Person gelenkt. Zielgerichtet greift er nach Flaschen und gießt sorgsam die Drinks in ein Glas. Das ganze ist natürlich eher ein Testszenario - der Cobot fühlt sich zukünftig vor allem da wohl, wo eine automatisierte Fertigung stattfindet. Hier kann er Assistenzfunktionen übernehmen. Er braucht nur eine Datenübertragung von 5G oder schneller. Denn bei der Interaktion zwischen Mensch und Maschine muss die Latenzzeit unter einer Millisekunde liegen, nur so werden die komplexen Bewegungen, die ein Barkeeper (bzw. Montagearbeiter) vornimmt, flüssig. Bei diesem Projekt des CeTI spielt Interdisziplinarität eine große Rolle, hier arbeiten nicht nur Informatiker an der nächsten Stufe des Internets, sondern auch Nachrichtentechniker, Maschinenbauer, Psychologen oder Philosophen.

    

Quelle / Source: TU Dresden, TD)

Quelle: TU Dresden, TD / AST

Wenn der "Feldschwarm®" zur Ernte ausrückt

Ein Forschungskonsortium unter Leitung der Technischen Universität Dresden (Professur für Agrarsystemtechnik - AST) und des Fraunhofer-Instituts für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI Dresden hat erste Roboterfahrzeuge für einen „Feldschwarm“ entwickelt, der in Zukunft die Äcker weitgehend selbstständig bearbeiten und pflegen soll. Dabei handelt es sich um einen modularen Schwarm aus vergleichsweise leichten Landwirtschaftsmaschinen, die sich – je nach Wunsch des Bauern – autonom oder teilautomatisch auf dem Feld orientieren und landwirtschaftliche Aufgaben erledigen. 

Bereits als Prototypen einsetzbar sind inzwischen die Feldschwarmeinheiten (FSE) 1 und 2: Die FSE 1 ist als Brückenlösung gedacht, arbeitet teilautomatisch und wird von einem Traktor mit einem Menschen darin gezogen. Die FSE 2 dagegen agiert autonom, sie ist auf den Stoppelsturz und die Saatbett-Bereitung spezialisiert. Angetrieben von einem dieselelektrischen Antrieb, bekommt dieser Feldroboter seine konkreten Tagesaufgaben und Routen drahtlos von einer zentralen Managementsoftware namens „HelyOS“ zugewiesen. Diese Aufgaben erledigt er dann selbstständig. Die FSE orientiert sich dabei mit GPS-Satellitenortung und der „Realtime Kinematik“-Technik bis auf zwei Zentimeter in der Natur. Durch Kameras und Lidar-Lasertechnik sowie neuronale Netze für die Sensor-Auswertung kann der Roboter auch Tiere, Menschen oder störende Hindernisse auf dem Feld erkennen. In Nachfolgeprojekten wollen die Konsortialpartner den Feldschwarm weiter verbessern und ausbauen

   

Win-Win für Winzer und Wein

Laubschnitt, Bodenbearbeitung, Mulchen oder die Bekämpfung von Schädlingen sind zeitintensiv und körperlich anstrengend, denn viele Arbeiten müssen noch per Hand erledigt werden. Das weiß jeder Winzer, Obstbauer und Hobbygärtner. Doch ohne dem geht es nicht. Unkraut wuchert und schlimmstenfalls fällt die Ernte aus. Die Forscher der Professur für Agrarsystemtechnik der Technischen Universität Dresden haben den "Elwobot" entwickelt, um den Menschen von monotonen, schweren Arbeiten zu entlasten.

Elwobot ist ein Plantagenroboter für den Wein- und Obstbau und steuert autonom durch die engstehenden Plantagen. Ein Laser-Scanner, der vorne am Fahrzeug angebracht ist, zeigt den Weg und lässt ihn Hindernisse, wie zum Beispiel zeitgleich arbeitende menschliche Kollegen, umfahren. Weil das Fahrwerk auf vier Einzelradantrieben und Einzelradlenkung basiert, ist er extrem wendig. Elwobot schätzt mit 3D-Scantechnik den Zustand des Bewuchses der Bäume ein. So kann er Pflanzenschutzmittel verteilen oder die Fahrgassen mulchen. Das Pflücken der Früchte muss der Mensch aber noch selbst übernehmen. Der Vorgang ist zu komplex für den Roboter - noch.

   

Kognitive Produktionssysteme im Fokus

Wie lassen sich Industrie 4.0-Technologien in Produktionstechnik einsetzen? Und wie kann es auch kleinen und mittelständischen Unternehmen gelingen, die digitale Zukunft mitzugestalten? Mit solchen Fragen beschäftigt sich die Hauptabteilung Cyber-physische Produktionssysteme CPPS am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. 

Gemeinsam mit der TU Dresden und Unternehmenspartnern forschen dort derzeit ca. 40 Wissenschaftler an neuen Technologien beispielsweise zur Erfassung und Auswertung von Daten und an der Anwendung von Künstlicher Intelligenz (KI) oder von Verfahren zur latenzarmen Datenübertragung in der Produktion. Als Weiterentwicklung plant die Fraunhofer-Gesellschaft auf dem Campus der TU Dresden ein neues Forschungszentrum, das mit der Exzellenzuniversität auch in Forschung und Lehre eng kooperieren soll. In dieses Forschungszentrum Kognitive Produktionssysteme (Cognitive Production Systems, CPS), Institutsteil des Fraunhofer IWU, sollen zukünftig auch die Forschungsaktivitäten zu CPPS integriert werden. „Es ist die logische Weiterentwicklung von Cyber-physischen Produktionssystemen, wenn sie zusätzlich mit kognitiven Fähigkeiten ausgestattet werden“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Steffen Ihlenfeldt, Inhaber der Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen (LWM) an der TU Dresden und Institutsleiter des Fraunhofer IWU. 

Die Innovationen der Dresdner Wissenschaftler sind wichtig für Firmen aus vielen Branchen. Neben klassischen Werkzeugmaschinenbauern zählen namhafte Automobilhersteller und ihre Zulieferer zu den Partnern des IWU. 

    

Der Assistenzarzt ohne Doktortitel

Bald könnte es schon so in deutschen OP-Sälen aussehen: Über dem OP-Tisch, über der offenen Wunde des Patienten hängen nicht eine Schar von Ärzten, sondern der schwere, weiße Arm des "DaVinci Xi"-Medizinroboters. Zielgenau schneidet er ein Geschwür aus dem Patienten. Gerade bei Operationen von Erkrankungen wie Krebs ist Präzision enorm wichtig. Ein Arzt sitzt etwas entfernt vom OP-Tisch an einem hochauflösenden Bildschirm und steuert die Arme. Noch wird getestet, aber die robotergestützten Assistenzsysteme können schon bald Realität werden. Das Else-Kröner-Fresenius-Zentrum für Digitale Gesundheit (EKFZ) forscht an der Uniklinik Dresden in diesem Bereich. Drei Modelle werden bereits im Alltag eingesetzt. Am Else-Kröner-Fresenius-Zentrum arbeiten Mediziner mit Ingenieuren und Informatikern zusammen, um die Forschung weiter voranzubringen. Prof. Stefanie Speidel, Medizinerin und Informatikprofessorin, und ihr Team wollen in Zukunft noch genauer operieren können und machen sich die Vorteile von Künstlicher Intelligenz und Augmented Reality zunutze. „Es ist hier immens wichtig, dass die richtige Information zum richtigen Zeitpunkt zur Verfügung gestellt wird“, betont sie.

    

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Scholta, Dr. Claudia (Quelle: WFS)
Dr. Claudia Scholta
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