Prof. Dr. Gerd Hirzinger: Multisensorielle Robotersysteme zur Unterstützung des Menschen

„Und dem Licht der Sonne folgend, verließen wir die Alte Welt.“ Dieses Zitat, ein­­­graviert auf Christopher Columbus Kara­velle „Santa Maria“, ist Sinnbild für das Bestreben des Menschen sich trotz unbe­­kannter Ge­­fahren stets neuen Heraus­­for­derungen zu stellen, zu erforschen und zu entdecken. Nun liegen die Ziele der Menschen aber schon lange nicht mehr in der Entdeckung neuer Kontinente. Iro­­ni­­­scherweise befindet sich der Ort unserer Begierde nur rund 100 Kilometer über unseren Köpfen und ist doch um einiges schwerer zu erreichen. Wo sich Columbus mit Stür­men, Wellen und Prob­­lemen der Nahrungs- und Trink­­wasser­be­­schaf­­fung auseinander­­­­­setzen muss­­­­­­­te, birgt die Er­­kun­­­dung des Weltraums allerdings völlig andere Ge­­fahren. Bereits der Start ins All ist nicht erst seit der Challenger-Katastrophe im Jahr 1986 mit großen Risiken verbunden. Damit Men­­schen im luftleeren Raum überleben kön­­nen, sind massive Sicherheits­maß­nah­­­men notwendig. Nicht nur die enormen Ent­­fernun­­g­­en, sondern auch die Strahlen­­­­belas­­tung und extreme Temperaturunter­schie­­de ma­­­­chen jede Reise, und sei es nur in den erdnahen Orbit, zu einem gefähr­­­lichen Unterfangen.

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Am Robotik und Mechatronik Zentrum (RMC) des DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) mit Sitz in Oberpfaf­­fen­hofen und Berlin erforschen Ingenieure daher Möglichkeiten, wie Roboter gefährliche Aufgaben übernehmen können. Das Ziel ist die Entwicklung von mobilen, im Erd­­­­­­­orbit fliegenden, oder auf Plane­ten­ober­­­flächen laufenden und fahrenden Robotern zur Unterstützung des Men­schen. Diese so­­­genannten „Robo­­nauten“ sind geprägt von den Forde­­rungen der Raum­­fahrt nach ext­­remer Gewichts- und Ener­­gie-Ersparnis. Noch sind die Fähigkeiten eines men­­sch­­­­­lichen Astronauten denen von Robotern überlegen und zwar nicht nur bezüglich der kognitiven Anpassungsfähigkeit an unter­­­schiedlichste Situationen, sondern ganz einfach bedingt durch die Tat­sache, dass die Sensomotorik des Menschen sehr viel detailliertere Bewegungs­ab­läufe ge­­stat­­­­tet. Eine zentrale Aufgabe der For­­schung ist es daher, den Händen und Armen eines Roboters für das Greifen Fein­­­­­gefühl zu geben. Die Prototypen-Mo­­delle am DLR sind dafür mit einer Viel­zahl von Sensoren ausgestattet. Die neu­­este Ent­wicklung stellt das „anthro­­­­po­morphe Hand-Arm-System“ dar: Die Glie­­­der der Finger lassen sich einzeln be­­wegen, wobei die jeweils mit zwei Minimotoren betriebenen Seile die Seh­­nen simulieren und nach dem antagonistischen Antriebs­­prinzip biologischer Mus­­­­keln arbeiten. Durch gleichsinnige Bewe­­gung der beiden Antriebe (Agonist, Anta­­gonist) wird ein Fingersegment in die entsprechende Richtung bewegt.
Da die An­­­­triebe bei gegenläufiger Bewe­gung über eine spezielle Kon­­struktion die Sehnen­span­­nung erhöhen, kann das System über gleichzeitige Anspan­­nung der antagonistischern „Muskeln“ seine Steifigkeit erhöhen und sich so optimal
auf unterschiedliche Aufgaben und Um­­gebungen anpassen.

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Heutige Industrieroboter können fest ein­­­programmierte Handlungen besonders schnell ausführen, sind aber in ihrer Reak­­tionsfähigkeit beschränkt. Je komplexer der Bewegungsablauf, desto größer ist der Planungs- und Programmier­aufwand in der Vorbereitungsphase. Die Forschung macht in diesem Bereich allerdings deut­­liche Fortschritte. Schon heute werden am Robotik und Mechatronik Zentrum in Ober­­pfaffenhofen „anthropomorphe“, das heißt menschenähnliche Roboter einer völlig neuen Generation entworfen. Der zweiarmige Leichtbau-Roboter JUSTIN kann mit mehr als 40 Gelenken ausgesprochen feinfühlig reagieren und komplexe Bewe­­gungsabläufe in der Interaktion mit Men­schen durchführen. Mit seinem multi­sensoriellen Kopf, der mit Stereo-Kameras, Laserscanner und Lichtschnittprojektor ausgestattet ist, kann er sogar durchsich­­tige Gläser erkennen und greifen, Flaschen öffnen, Getränke einschenken oder schwere Getränkekästen heben. Die Technologie­­studie soll vor allem das beid­­händige Mani­pulieren von Objekten de­­­mon­­strieren und weiterentwickeln. Doch JUSTIN muss seine Umwelt erst analysieren und jede Bewe­­­gung einzeln und detailliert planen, bevor er handeln kann. Wo beim Menschen durch tägliche Anwen­­­dungen Bewegungs­ab­läufe in Erfahrung und Routine übergehen und dadurch weniger Aufmerksamkeit erfordern, muss Justin seine komplette Um­­welt erst analysieren um interagieren zu können, und das jedes Mal komplett aufs Neue.

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Wo JUSTIN heute die Spitze der humano­iden Roboter-Entwicklung darstellt, kann das ehemalige DLR-Institut bereits auf lang­­jährige Erfahrungen bei der Roboter­­fern­­­­steu­­­­e­rung im Erdorbit zurückblicken. Be­­reits 1993 wurde der erste ferngesteuerte Ro­­bo­­ter ROTEX in den Welt­­raum geschickt. Das Institut hat 1999 den ersten frei im Welt­raum fliegenden japanischen ETS VII-Roboter von der japanischen Wissen­schafts-Stadt Tsukuba aus fernprogrammiert. Von 2005 bis 2010 haben die DLR-Robotiker die Raumfahrttauglich­­keit ihrer Leichtbau-Roboter-Gelenke mit dem einzigartigen ROKVISS-Arm auf der Außen­­haut der Raumstation ISS nachgewiesen und die Wirkungsweise der sogenannten Tele­­prä­­senzkonzepte demonstriert, wobei über Stereobild- und Kraftrückkopplung das Gefühl erzeugt wird, als könnte man vor Ort agieren; man spricht daher gern auch vom verlängerten Arm des Men­­schen im Weltraum. Zusammen mit den vier- und fünf-fingrigen künstlichen Händen aus dem Institut, von denen eine erste raum­fahrt­­taug­­­liche Version von der Raum­­­­­­­fahrt­organi­­sa­­tion ESA verwendet wird, entstehen auf diese Weise zentrale Bau­steine für die euro­­päischen Robo­nauten der Zukunft.

Das Robotik und Mechatronik Zen­­trum arbeitet zudem an der Ent­­­wick­­­­­­lung des ersten europäischen Mars-Rovers ExoMars, der 2018 zum Mars fliegen soll, an Rover-Kon­zep­ten für Mondlande-Missi­­onen und an sechs-beinigen Krabblern für die sogenannte planetare Explora­­tion.
Ein aus der planetaren Rover­tech­nik abge­leitetes ROBOMOBIL soll da­­­­­rüber hinaus der Elek­­­­tromobilität neue Impulse ge­­ben und gleich­­zeitig die Syn­ergie zwi­­schen den Themen Robotik und Fahr­zeug­­technik demons­trie­­­­ren. Es ist so konzipiert, dass es mit einem aus­­schließ­­lich auf Kameras ba­­sier­­ten Auto­­­nomie­konzept selbständig fahren kann, aber auch von einem Fahrer mit Sidestick oder von einem Teleope­rator aus der Ferne gesteuert werden kann.

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Die multiphysikalische Modellbildung, Dy­­na­­­mik-Simulation und regelungstech­nische Beherrschung mechatronischer Systeme kommt aber auch der klassischen terres­tri­­schen Fahrzeugtechnik zunehmend zu­­gute, etwa in der Fahrdynamik-Opti­mie­­­­­­rung und der Komponenten-Entwick­lung. In ähn­­­licher Weise werden Dynamik und Ener­­­gie­­verbrauch großer Flug­zeuge model­­­liert und optimiert (Koope­ration mit Airbus). Die bemannten Flugroboter aus dem Zen­t­­­­rum erstellen mit ihren Kameras 3D-Gebäu­­­demodelle und bereiten sich schon auf das „Manipulieren aus der Luft“ vor, während sich die solargetriebene Höheplattform ELHASPA in naher Zukunft in die Strato­­­sphäre hochschrauben soll. An der Entwick­­­lung von Kleinsatelliten, ins­­besondere zur Feuer-Detektion auf der Erde, arbeitet hingegen der Berliner Be­­reich des RMC. Dort werden auch die Arbeiten auf dem Gebiet der fotorealis­ti­schen 3D-Weltmodel­­lierung (interaktive Landschaften, Baudenk­­mäler) durch die Entwick­­lung inno­­va­­tiver Kamera­tech­nologien und multispektraler Sensoren unterstützt, die sich für den Ein­­satz auf planetaren Son­­den aber auch für Satelli­ten und Flug­zeuge eignen. Das Semi­­­globale Matching SGM gilt inzwischen als einer der besten Stereo-Algorithmen, mit dem nicht nur Berge wie der Mount Eve­­rest und der K2, aufgenommen von Satel­­liten, in 3D modelliert wurden, son­dern auch Autos der Marke Daimler Hinder­­nisse in Echtzeit erkennen. Zu guter Letzt, stellt der aus der Leicht­bau-Technologie entwi­­­ckelte Roboter MIRO einen Durch­bruch in der Chirurgierobotik dar. Mit seinem Eigen­­­gewicht von nur zehn Kilogramm und den kompakten Abmes­­sungen ähn­­lich dem menschlichen Arm kann er direkt neben dem Chirurgen am Operations­tisch einge­­­setzt werden, wo das Platz­angebot be­­­schränkt ist. Die ge­­­planten Einsatz­­zwecke des Roboterarms reichen vom Führen einer Lasereinheit über das Setzen von Löchern für Knochen­­schrau­ben bis zum Einsatz in der minimal invasiven „Schlüsselloch“-Chir­­­urgie. Immer wieder finden Technologien des Ins­­ti­­tuts aber auch Anwendung im täg­­­­­lichen Leben. Wie etwa die sogenannte Space Mouse, welche aus der Not­­wen­dig­­keit zur räum­­lichen Steuerung der DLR-Roboter her­­aus entwickelt wurde und später als Lizenz­­objekt vom Computer­zube­­­­hör-­Her­­steller Logitech zum weltweit popu­lärs­­ten 3D-­­Mensch-Maschine-Inter­face (mit über einer Million installierter Systeme in der 3D-­­Computer­­grafik und Konstruktions­­technik) gemacht wurde.

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Die Schaffung und Sicherung von etwas mehr als eintausend hochspezialisierten Arbeitsplätzen in der Industrie und die zahlreichen nationalen und interna­tionalen Auszeichnungen haben dem DLR-Institut in Ober­­pfaffenhofen den Ruf einer inter­­na­ti­­­onal renommierten Techno­lo­­gie­schmiede einge­bracht und wesentlich zur gemein­­samen Entschei­dung des Bundes und des Landes Bayern beigetragen, es zum Robo­­tik und Mecha­­tronik Zentrum, RMC und damit zu einer der weltweit größten Ein­­richtungen in der angewandten Robo­ter­forschung aus­­zu­­bauen. Und da, wo die besten Res­sour­cen aufeinandertreffen, ist auch die Reali­sie­rung großer Ziele und die Ent­deckung neuer Welten nur noch eine Frage der Zeit.

 

1HirzingerFotoDer Autor ist Professor der Robotik-Wissen­­­schaf­ten und seit 1992 Leiter des Instituts für Robotik und Mecha­­tronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Ober­­­­pfaffenhofen. Dar­­über hinaus ist er Verfasser von über 600 wissenschaftlichen Publi­­­ka­tionen und Träger zahlreicher Auszeich­­nun­­gen, darunter des Bundesverdienstkreuzes am Bande und des Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preises.