Roboter der nächsten Generation

Abschlusskolloquium des SFBs „Humanoide Roboter“ mit Ausblick in die Zukunft.

Roboter mit menschenähnlicher Gestalt als intelligente und aktive Helfer der Menschen im Alltag – diese Vision verfolgte das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) innerhalb des Sonderforschungsbereichs 588 »Humanoide Roboter: Lernende und kooperierende multimodale Roboter« der DFG. Ziel der Forschung war die Entwicklung humanoider Roboter, die friedlich und sicher mit dem Mensch koexistieren, interaktiv kommunizieren und in sinnvoller Art und Weise mit Objekten umgehen können. Mit Vorträgen, Demonstrationen und Laborführungen präsentieren Vertreter der 13 Teilprojekte zum Abschluss des Sonderforschungsbereichs am 18. Juni 2012 ihre Ergebnisse.

Prof. Rüdiger Dillmann erläutert die Forschungsschwerpunkte des SFB (Bild: KIT)

»Damit die Roboter tatsächlich vom Menschen akzeptiert werden, sollten sie so menschenähnlich wie möglich sein«, betont Professor Rüdiger Dillmann, der Sprecher des Sonderforschungsbereichs. In den vergangenen 11 Jahren haben über 40 Wissenschaftler  mehrere Prototypen neu entworfen und ständig weiterentwickelt. Dabei ging es nicht nur um eine menschenähnliche Gestalt, sondern auch um Motorik, Gestik und Kommunikation, die dem Verhalten des Menschen nachempfunden sind. Der Roboter sollte in der Lage sein, Alltagssituationen zu erkennen und zu bewerten, natürliche Dialoge mit dem Menschen zu führen, und darüber hinaus, die Fähigkeit besitzen, neue Menschen und Gegenstände kennen zu lernen und langfristig zu seinem Erfahrungsschatz hinzuzufügen. Als zukünftige Einsatzbereiche der fleißigen Helfer sehen die Wissenschaftler beispielsweise den Haushalt, aber möglicherweise auch Dienstleistungen im Pflegebereich.

Ein Herzstück des Sonderforschungsbereichs waren ganzheitliche Humanoide Roboterplattformen besser bekannt als die ARMAR-Roboterfamilie. Im Jahr 1999 wurde die erste Version von ARMAR gebaut, auf einer autonomen mobilen Plattform mit 25 Bewegungsfreiheitsgraden.(DoF). Nach ARMAR II aus dem Jahr 2002, machten in den letzten Jahren besonders ARMAR IIIa und ARMAR-IIIb als Küchenjunge und Helfer im Alltag auf sich aufmerksam.
Beim Design der humanoiden Roboter legten die Wissenschaftler besonderes Augenmerk auf ein System, das die Sensorik und sensomotorischen Fähigkeiten eines Menschen möglichst nachahmen kann. Die  Roboter sollen in der Lage sein, zu Greifen und geschickte Manipulationsaufgaben durchzuführen, aus der Beobachtung des Menschen zu lernen und zur natürlichen Mensch-Roboter-Interaktion fähig sein.

Am Ende des Sonderforschungsbereichs steht die neueste Generation humanoider Roboter: ARMAR IV. Das vierte Familienmitglied misst 1,70m, wiegt 70kg und verfügt als Erster über zwei Beine. Damit ist ARMAR IV der Statur eines Menschen recht ähnlich, bleibt aber unter der Durchschnittsgröße eines erwachsenen Mannes. Dies soll die Hemmschwellen und mögliche Berührungsängste von Menschen gegenüber Robotern abbauen und die Mensch-Maschine-Interaktion erleichtern.
ARMAR IV hat 63 Bewegungsfreiheitsgrade (DoF), die mit Hilfe von elektrischen und pneumatischen Aktuatoren angetrieben werden. Der Roboterkopf verfügt über 9 DoF und ist mit über vier Kameras und sechs Mikrophonen ausgestattet. Jeder Arm verfügt über 8 DoF, währende jede Hand 11 DoF besitzt.  Die Beine mit jeweils 7 DoF sind mit einer speziellen Kinematik so ausgelegt, dass der Roboter u.a. beim Laufen einen Fuß vor den anderen setzen kann. Damit könnte ARMAR IV einen Catwalk absolvieren. Germany’s Next Robo-Topmodel könnte also aus Karlsruhe kommen.

Aber auch in den anderen Teilbereichen des Sonderforschungsbereichs wurden richtungsweisende Ergebnisse erzielt, die den Gutachtern der DFG präsentiert wurden. So wurde zum Beispiel dargestellt, dass ein Roboter menschliche Handlungen imitieren und dadurch erlernen kann. Programmieren durch Vormachen anstatt Quellcode tippen, heißt hier die Devise.

Eine Demonstration zur Erkennung von Küchenhandlungenzeigte, wie die Forscher menschliche Bewegungen analysieren und auf Roboter übertragen. Wissenschaftliche Herausforderungen liegen hier beispielsweise im Verstehen des Bewegungsablaufs, in der Haltungs- und Gleichgewichtskontrolle, in der Analyse der Prinzipien, die der Mensch bei der Generierung zielgerichteter Bewegung nutzt oder in der Unterscheidung verschiedener Personen anhand ihrer Gangmuster.

Die  Messung von Biosignalen mit Hilfe eines Elektroden-Helm wurde demonstriert, um zu zeigen, wie aus menschlichen Hirnaktivitäten (EEG-Signale)  Schlüsse über die mentale Belastung des Menschen bei der Kooperation mit dem Roboter gezogen werden können.

Auch im Bereich Greifen, Tasten und mobile Manipulation haben die Karlsruher Wissenschaftler sehr gute Ergebnisse erzielt.
Die Hände von ARMAR basieren auf zukunftsweisende Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Handprothesen, die von Wissenschaftlern des Campus Nord entwickelt werden. Die Hand von ARMAR-IV hat 11 DoF, wird mit pneumatischen Aktuatoren angetrieben und ist  einer natürlichen Hand zum Verwechseln ähnlich.. Die bereits in einem frühen Stadium des Sonderforschungsbereichs entwickelte „Karlsruher Hand“, eine Dreifinger-Greifhand, wurde von der Firma Schunk in ein gefragtes Industrieprodukt verwandelt.

Mit dem Ende des Sonderforschungsbereichs 588 enden jedoch nicht die Forschungsaktivitäten am KIT im Bereich Humanoider Robotik. In den vergangenen Jahren wurden zum einen das Institut für Anthropomatik innerhalb der Fakultät für Informatik gegründet, zum anderen besteht seit 2010 der Schwerpunkt Anthropomatik und Robotik, der KIT-weit Forschung in diesem Bereich bündelt.
Als erste Fakultät in Deutschland richtete die Fakultät für Informatik am KIT vor kurzem eine Professur für Humanoide Robotik ein, besetzt durch Professor Tamim Asfour, der sich bereits seit über 10 Jahren am KIT mit Robotik auseinandersetzt.
Neben dem Sonderforschungsbereich war man bereits in den letzten Jahren stark in europäischen Forschungsprojekten engagiert, die weiterhin bestehen.