{"id":2956,"date":"2022-03-03T09:00:19","date_gmt":"2022-03-03T08:00:19","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/?p=2956"},"modified":"2022-03-04T09:47:02","modified_gmt":"2022-03-04T08:47:02","slug":"roboter-als-teammitglieder","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/2022\/03\/03\/roboter-als-teammitglieder\/","title":{"rendered":"Roboter als Teammitglieder?"},"content":{"rendered":"

Wie wir mit unserem mechanischen Gegen\u00fcber sicher zusammenarbeiten k\u00f6nnen<\/span><\/strong><\/p>\n

von Artem Schurig<\/em><\/p>\n

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Abbildung 1: Einen vielseitigen und belastbaren Arbeitskollegen zu haben wie Chappie, das w\u00e4re doch stark oder? 1 <\/sup>\u00a9 2015 Columbia Pictures Industries, Inc., LSC Film Corporation and MRC II Distribution Company LP. All Rights Reserved<\/p><\/div>\n

Du denkst, menschliche Roboter wie Chappie als ganz normale Teammitglieder im Arbeitsalltag sind nur Science-Fiction? Noch mag das stimmen – doch Industrie und Forschende haben aus der Fiktion eine Wissenschaft gemacht. Wird Chappie also bald zum Leben erweckt?<\/b><\/div>\n

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Abbildung 2: Schritt f\u00fcr Schritt in die Zukunft der Mensch-Roboter-Kollaboration. \u00a9 anaterae auf Pixabay<\/p><\/div>\n

Aktuell werden in der Industrie schwergewichtige und monotone Aufgaben von der klassischen Robotik erledigt, der Mensch wird dabei aus Sicherheitsgr\u00fcnden aus der Arbeitszelle ausgeschlossen. Doch kennt jeder aus Film und B\u00fcchern die fiktiven Roboter der Zukunft, die gemeinsam mit dem Menschen an ihrer Seite Aufgaben erledigen. Sind wir davon wirklich noch so weit entfernt, wie es auf den ersten Blick scheint? Noch sind humanoide Roboter, die sich wie Menschen eigenst\u00e4ndig bewegen und intelligent agieren, eine ferne Fiktion. Dabei wird es jedoch vermutlich nicht bleiben. Mit sog. Mensch-Roboter-Kollaborationen (im Folgenden oft mit MRK abgek\u00fcrzt) gehen Industrie und Wissenschaft nun erste wacklige Roboter-Schritte in Richtung dieser Vision2<\/sup>. Zum Teil lassen sie diese sogar schon zur Realit\u00e4t werden.<\/p>\n

K\u00f6nnen wir schon bald Hand in Hand mit unseren Roboterkollegen gehen und uns dabei nachdenklich entspannen, w\u00e4hrend sie die schwere und anstrengende Arbeit f\u00fcr uns erledigen? Eine Antwort auf diese Frage, sowie einen kleinen Ausblick erh\u00e4ltst du in diesem Artikel.<\/p>\n

Menschen und Roboter als Team? – Eine Frage der Sicherheit<\/em><\/strong><\/p>\n

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Abbildung 3: Aktuell sieht die Arbeit von Robotern und Menschen oft noch so aus \u2013 ihre Arbeitspl\u00e4tze sind r\u00e4umlich voneinander getrennt. \u00a9 BIBA<\/p><\/div>\n

Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration arbeiten die Industrieroboter direkt mit dem Menschen zusammen, ganz ohne r\u00e4umliche Trennung, wie beispielweise einem klassischen Sicherheitszaun. Dabei werden die Vorteile des Menschen als auch des Roboters ausgenutzt. Diese kollaborierenden Roboter oder auch Cobots genannt sind eine wesentliche Technologie der Industrie 4.0. Cobots spielen somit eine wichtige Rolle im aktuellen Fortschritt der Technik und auch der Forschung. Das Bremer Institut f\u00fcr Produktion und Logistik in Kooperation mit der Firma PUMACY Technologies betreibt an der Bremer Universit\u00e4t Forschung auf diesem Fachgebiet3<\/sup>. Klingt super!? Doch Vorsicht ist geboten! Der Roboter als schwere aber bewegliche Maschine, kann eine Gefahr f\u00fcr die menschlichen Teammitglieder darstellen. Um den Menschen vor Unf\u00e4llen zu sch\u00fctzen, muss der Roboter zu jeder Zeit genau wissen, wo er sich befindet. Nun kommt man zu der simplen Frage:<\/p>\n

Wie kann ein mechanischer Roboter Menschen wahrnehmen und erkennen? Und kann der Roboter in naher Zukunft menschlich werden oder bleibt es bei der Fiktion?<\/p>\n

Die Antworten liefern uns sogenannte Cyber-Physische-Systeme, welche die Disziplinen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik miteinander verbinden.<\/p>\n

Aber was sind denn diese Cyber-Physischen-Systeme?<\/em><\/strong><\/p>\n

Wie man sich bereits denken kann, m\u00fcssen diese Cyber-Physische-Systeme etwas mit Datenverarbeitung zu tun haben, da das Wort Cyber darin vorkommt. Es ist also eine virtuelle Komponente enthalten. Weiterhin muss es durch den physischen Teil etwas Anfassbares enthalten. Als System m\u00fcssen diese beiden Komponenten zusammenarbeiten.<\/p>\n

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Abbildung 4: Schematische Darstellung der Netzarchitektur eines Cyber-Physischen-Systems. Das Netzwerk verbindet Sensoren und Aktoren (bunte Punkte) mit dem \u201eGehirn\u201c \u2013 den eingebetteten Systemen (blaue K\u00e4stchen).4<\/sup>\u00a0<\/em><\/p><\/div>\n

Diese Annahmen sind tats\u00e4chlich korrekt, denn Cyber-Physische-Systeme oder auch in Kurzform CPS genannt, sind vernetzte und kommunikationsf\u00e4hige Komponenten, welche eingebettete Systeme enthalten. Nun, Komponenten und eingebettete Systeme – klingt kompliziert? Ist es eigentlich gar nicht! Das Ganze hat eine sehr gro\u00dfe \u00c4hnlichkeit mit dem menschlichen Gehirn, deren Nervenbahnen, den Nervenenden und der Muskulatur. Diese eingebetteten Systeme stellen dabei das Betriebssystem der Komponenten und somit das Gehirn und deren Logik dar. Das physische Objekt kann dabei ein Roboter, ein Verkehrsmittel oder sogar ein ganzes Geb\u00e4ude sein. Es nimmt also prim\u00e4r die Rolle der Muskulatur und somit des Aktors ein. Viele dieser physischen Objekte sind miteinander \u00fcber Netzwerke wie das Internet vernetzt und lassen sich damit steuern, regeln und kontrollieren. Die bunten Punkte in Abbildung 4, stellen die Sensorik und Aktorik dar, die blauen K\u00e4stchen sind die Ger\u00e4te mit den eingebetteten Systemen und die Verbindungslinien bilden das Netzwerk unter den vielen einzelnen Knotenpunkten.<\/p>\n

Mithilfe von Sensorik werden Umgebungsdaten aus der physischen Umwelt aufgenommen. Die gesammelten Daten werden dann durch das Netzwerk an die eingebetteten Systeme weitergeleitet. Die darauf laufende Software verarbeitet diese Daten weiter und l\u00f6st mithilfe der Steuerdaten eine Reaktion des Aktors aus, \u00e4hnlich dem Gehirn des Menschen, welches beispielsweise bei einer Schmerzempfindung die R\u00fcckziehung der Hand ausl\u00f6st.<\/p>\n

Welche Sensorsysteme gibt es? Und wie genau kann ein Roboter damit den Menschen erkennen?<\/strong><\/em><\/p>\n

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Abbildung 5: Physische Ann\u00e4herungen von Menschen und Robotern m\u00fcssen vorsichtig gestaltet werden. Dazu braucht es sensible und verl\u00e4ssliche Sensorsysteme, die dem Roboter zu jeder Zeit eindeutig mitteilen, wo sich sein Gegen\u00fcber gerade befindet \u2013 im Zweifelsfall bis zum kleinen Finger. \u00a9 Tumisu auf Pixabay<\/p><\/div>\n

Sensorsysteme sind heutzutage sehr intelligent und bestehen aus einer Vielzahl von oftmals autarken Sensoren. Diese \u00fcbertragen und kombinieren die erfassten Daten zentral ein der Auswerteinheit, welche die n\u00f6tigen Auswertungen an die Zentrale des gesamten Cyber-Physischen-Systems \u00fcbermittelt. In der deutschen Norm f\u00fcr Sicherheitsanforderungen f\u00fcr Industrieroboter (ISO 10218-1) sind vier Typen der Mensch-Roboter-Kollaboration festgelegt. Dabei hat sich die kontinuierliche Geschwindigkeits- und Abstand\u00fcberwachung als die praktikabelste Methode erwiesen. Deshalb werden im Folgenden die bekanntesten und bew\u00e4hrtesten Sensorsysteme beschrieben, die eine kontinuierliche Geschwindigkeits- und Abstand\u00fcberwachung sicherstellen, bei welcher der Mensch den Kollaborationsraum betreten darf.<\/p>\n

1. Wer braucht Ultra-HD? Wir\u00a0<\/strong>nutzen „Ultra-Funk“!<\/b><\/p>\n

Die in MRK-Sensorsystemen am meisten verwendete Technologie ist Ultra-wideband (Ultra-Breitband) oder auch kurz UWB genannt. Bei Ultra-wideband handelt es sich um eine Funktechnologie zur Nahbereichskommunikation, welche dem bekannteren WLAN-Funk sehr \u00e4hnelt. Die UWB-Technologie nutzt einen besonders breiten Frequenzbereich von 3,1 bis 10,6 GHz und begrenzt die Signalleistung auf sehr geringe 10 nW. Durch die Verteilung auf ein gro\u00dfes Frequenzband werden St\u00f6rungen zwischen Ultra-wideband und anderen Funktechnologien vermieden und so die Nutzung bereits belegter Frequenzb\u00e4nder erm\u00f6glicht.<\/p>\n

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Abbildung 6: Prinzipieller Aufbau eines Echtzeitortungssystems mit Ultra-wideband. Eigene Zeichnung<\/p><\/div>\n

Nun, wie tr\u00e4gt diese Funktechnologie denn genau zur Ortung des Menschen bei, damit der Roboter diesen erkennen kann? Hierf\u00fcr wird das sogenannte Ultra-wideband-Real-Time-Location-System oder auch kurz UWB-RTLS. Dabei handelt es sich um ein Echtzeitortungssystem welches aus Tags, Anchors und einem Gateway besteht, welches man in Abbildung 6 sehen kann. Die Tags werden an dem zu lokalisierenden Menschen oder anderen mobilen Objekten angebracht. Bei den Anchors handelt es sich um Antennen, die an festen Positionen aufgestellt werden und am Gateway angeschlossen werden. Diese dienen als Referenzpunkte f\u00fcr die Tags. Die Positionskalkulation erfolgt durch das Gateway, das an die Speicherprogrammierbare Steuerung des dar\u00fcberstehenden Cyber-Physischen-Systems gekoppelt ist. Die Positionsbestimmung erfolgt in der Regel nach dem Laufzeitverfahren.<\/p>\n

2. Jetzt kommt Hollywood-Technologie ins Spiel!<\/strong><\/p>\n

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Abbildung 7: K\u00fcnstlerische Darstellung von Neytiri aus dem Film Avatar. Diese Filmfigur wurde auch mithilfe eines Motion-Capture-Systems gespielt und animiert. \u00a9 moonsword auf Pixabay<\/p><\/div>\n

Eine weitere interessante Technologie in der Mensch-Roboter-Kollaboration bieten die sogenannten Inertialen-Messeinheit-Sensoren (engl. Inertial-Measuring-Unit) oder kurz auch IMU genannt. Ein solcher Sensor fusioniert dabei wiederum einzelne Sensoren wie Beschleunigungsmesser, Gyroskop (Kreiselinstrument zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit) und Magnetometer auf einer winzigen Platine von der Gr\u00f6\u00dfe einer 1 Euro M\u00fcnze. Mit dessen Hilfe erh\u00e4lt man Daten wie die Beschleunigung, die Winkelgeschwindigkeit und Orientierung des Sensors. F\u00fcr die Mensch-Roboter-Kollaboration werden viele dieser Sensoren in Kleidung integriert, wodurch sich ein Motion-Capture-System zur Bewegungserkennung ergibt. Ein bekanntes System ist der\u00a0Perception Neuron\u00a0<\/i>Anzug der Firma Noitom. Solche Motion-Capture-Anz\u00fcge werden unter anderem auch von der Filmindustrie f\u00fcr Special Effects und Animation verwendet, wie z.B. bei Gollum aus Herr der Ringe, der Hulk, Neytiri aus Avatar oder TED. Dabei wird die reale menschliche Bewegung aufgenommen und sp\u00e4ter durch ein virtuell animiertes Modell \u00fcberlagert. In der Mensch-Roboter-Kollaboration werden hingegen die Daten in Echtzeit aufgenommen und \u00fcber Funk an die zentrale Recheneinheit \u00fcbermittelt. Da die Roboterposition aus dessen Steuerung bekannt ist und das System mithilfe des Motion-Capture-Anzugs die Position des Menschen kennt, kann das Cyber-Physische-System den Abstand durch die Euklidische Distanz berechnen5<\/sup>. Wird eine kritische Distanz unterschritten, so wird der Roboter langsamer, bis dieser bei Kontakt komplett anh\u00e4lt. Begibt sich der Mensch wieder in eine sichere Entfernung, so nimmt der Roboter seine Arbeit wieder auf.<\/p>\n

3. Wie w\u00e4r’s mit Laserschwertern?<\/strong><\/p>\n

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Abbildung 8: Nein, Laserschwerter sind nat\u00fcrlich aus naturwissenschaftlicher Sicht Quatsch, dennoch kann mit Licht und insbesondere Laserstrahlen beeindruckende Dinge angestellt werden. Mit 2D-Laserscannern kann bspw. die Position eines Menschen im Raum bestimmt werden. \u00a9 Mario Eppinger auf Pixabay<\/p><\/div>\n

Die letzte hier vorgestellte Variante ist das Nutzen von klassischer mittelbarer Sicherheitstechnik, wie Kameras und 2D-Laserscanner. Durch eine geeignete Anordnung dieser und einer smarten Steuerungs-Software ist eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration m\u00f6glich. Die 2D-Laserscanner lokalisieren den Menschen in der N\u00e4he des Roboters und geben die Position der Beine zur\u00fcck. Die Kameras erkennen die Haltung des Menschen und erstellen mit diesen Daten ein Computermodell, welches dann auf dem von den 2D-Laserscannern erkanntem Punkt platziert wird. Mit diesen Daten wird analog zum Motion-Capture-Anzug der Abstand \u00a0 berechnet. Aus den hier vorgestellten M\u00f6glichkeiten ist diese Variante die nachhaltigste, da sich hierf\u00fcr auch \u00e4ltere Sensoren eignen und keine neuen angeschafft werden m\u00fcssen. Lediglich die Software und die Anordnung der Sensoren muss oftmals ver\u00e4ndert werden.<\/p>\n

Das klingt alles super! Gibt es denn auch H\u00fcrden oder Einschr\u00e4nkungen?<\/strong><\/em><\/p>\n

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Abbildung 9: Eine sehr sensible Frage f\u00fcr Arbeitnehmende – der Datenschutz. Au\u00dfer dem Roboter sollte niemand Zugriff auf die sensiblen Bewegungsdaten haben. \u00a9 geralt auf Pixabay<\/p><\/div>\n

Bei dem Einsatz von Sensorsystemen zur Lokalisierung von Menschen k\u00f6nnen pers\u00f6nliche Daten wie beispielsweise\u00a0 das individuelle Arbeitsverhalten oder der Gesundheitszustand erfasst werden. Deshalb besteht im Betrieb die Notwendigkeit eines strengen Datenschutzes, um die Anonymit\u00e4t der Nutzenden\u00a0 zu gew\u00e4hrleisten. Abh\u00e4ngig vom genutzten Lokalisierungsverfahren und der Einsatzfl\u00e4che wird eine Vielzahl an unterschiedlicher Hardware ben\u00f6tigt. Hierbei kann bei unzureichender Abw\u00e4gung des Kosten-Nutzen-Verh\u00e4ltnisses das Gesamtsystem sehr teuer werden und den Gesamtnutzen der MRK-L\u00f6sung deutlich \u00fcbersteigen.<\/p>\n

Neben den finanziellen und organisatorischen Kosten ist die soziale Akzeptanz der Mitarbeitenden\u00a0 f\u00fcr ein solches Sensorsystem ein wichtiger Punkt. Durch die Forschung und Entwicklung im Bereich der Mensch-Roboter-Kollaboration werden immer g\u00fcnstigere, weniger komplexe und weniger auff\u00e4llige L\u00f6sungen entwickelt, wodurch sich die Hemmschwellen f\u00fcr neue Automatisierungsl\u00f6sungen auf allen betrieblichen Ebenen senken lassen.<\/p>\n

Also, aus Fiktion k\u00f6nnte Wirklichkeit werden<\/strong><\/p>\n

Wir haben also erfahren, dass auf dem Weg zu einem humanoiden Roboter noch viele Schwierigkeiten zu meistern sind. Noch bleiben Roboter wie Chappie also Science-Fiction Filmen vorbehalten. Doch mit Mensch-Roboter-Kollaborationen kommt die Forschung der Fiktion immer n\u00e4her. Sicherheit ist dabei ein wichtiges Thema. Durch verbesserte Sensorik soll diese zuk\u00fcnftig erm\u00f6glicht werden.<\/p>\n

Interesse an der Mensch-Roboter-Kollaboration geweckt?<\/strong><\/em><\/p>\n

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Abbildung 10: Das Bremer Institut f\u00fcr Produktion und Logistik BIBA befindet sich direkt auf dem Campus der Uni Bremen. \u00a9 Jens Lehmk\u00fchler \/ BIBA<\/p><\/div>\n

Weitere Inhalte und Informationen zu den Intelligenten Sensorsystemen f\u00fcr die Mensch-Roboter-Kollaboration im Rahmen der Industrie 4.0 findest du am BIBA \u2013 dem Bremer Institut f\u00fcr Produktion und Logistik an der Universit\u00e4t Bremen.<\/p>\n

Quellen<\/h3>\n

(1) https:\/\/www.filmtoast.de\/chappie\/<\/a><\/p>\n

(2) https:\/\/www.iks.fraunhofer.de\/de\/themen\/industrie-40\/mensch-roboter-kollaboration.html<\/a><\/p>\n

(3) https:\/\/www.biba.uni-bremen.de\/presse\/pressemitteilungen\/2019.html<\/a><\/p>\n

(4) https:\/\/link.springer.com\/referenceworkentry\/10.1007%2F978-3-642-35950-7_16790-15<\/a><\/p>\n

(5) https:\/\/www.autark-projekt.de\/<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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