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Donnerstag, 21. März 2019

Robotik

Bitte vorsichtig zugreifen

Von Carmen Klingler-Deiseroth | 11. März 2016 | Ausgabe 10

Für das feinfühlige Greifen, Heben und Handhaben in unstrukturierten Umgebungen gehen Forscher mit Service-Robotern neue Wege. Die menschliche Hand sowie ein Pizzabäcker standen dazu Pate. Die Objekterkennung spielt dabei eine entscheidende Rolle.

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Foto: Schunk

Präzisionsarbeit: Der Roboter Hollie mischt Cocktails exakt nach Rezept. Die artistische Dynamik eines menschlichen Barkeepers erreicht er jedoch nicht.

Exakt abgemessen hatte Hollie den Cocktail „digit. Hollie“ mit Grenadine, Zitronen-, Cranberry- und Ananassaft. Hollie ist ein Service-Roboter vom Forschungszentrum Informatik FIZ in Karlsruhe. Gereicht wurde der exotische Drink den Teilnehmer der „9. internationalen Expertdays on Service Robotics 2016“ vorige Woche bei Schunk in Brackenheim-Hausen allerdings von Menschenhand.

Forschung international

Das hat Gründe: Hollie ist mit zwei Armen und zwei Fünffinger-Händen des Greifsystemherstellers Schunk ausgestattet. In seiner definierten Umgebung findet er sich gut zurecht. Da hilft es, wenn alle Gläser die gleiche Form haben und an einem vorbestimmten Platz stehen.

Geht es aber darum, Objekte in unstrukturierten Umgebungen greifen zu können, stoßen bisherige Techniken laut Oliver Brock von der TU Berlin an ihre Grenzen. „Wir müssen nach neuen Wegen suchen, diese Probleme zu lösen“, sagt der Professor vom Robotics and Biology Laboratory und ist sich sicher, dass alternative Methoden dafür große Potenziale bieten. Brock hat mit seinem Team das menschliche Greifen von Objekten analysiert und ist auf fünf Grundbewegungen gestoßen. In dem Projekt Soma – Soft Manipulation – gehen diese in die Entwicklung einer feinfühligen Hand ein. Damit will er „das Greifen mit Robotern neu erfinden“.

An seinem Institut wurde dazu die dem Menschen nachempfundene RBO Hand 2 entwickelt. Sie besteht aus einem gummiähnlichen Siliconmaterial, welches pro Hand laut Bock 7 € kostet. Die Finger sind pneumatische Aktuatoren, die mit Luftdruck funktionieren. Werden die Finger aufgeblasen, biegen sie sich und greifen aufgrund des weichen Materials feinfühlig unterschiedlich geformte Objekte.

Laut Brock steht diese nachgiebige Handhabung – die er Soft Manipulation nennt – noch am Anfang und wird vornehmlich von Forschern betrieben. Die Logistikbranche ist aus seiner Sicht eine erste Anwendungsdomäne. „Wir arbeiten mit einem Logistikunternehmen zusammen, das Früchte und Gemüse automatisiert handhaben möchte“, sagt er. Das sei bisher immer noch Aufgabe von Menschen, während Regale und Boxen im Lager bereits automatisch transportiert würden.

In der Service-Robotik wird das Greifen, Heben und Handhaben als Manipulation bezeichnet. Die dynamische Manipulation, wie sie Bruno Siciliano von der Universität in Neapel im Projekt RoDyMan (Robotik Dynamic Manipulation) untersucht, geht laut dem Professor darüber hinaus. Sie schließen den Umgang mit flexiblen Objekten ein, die nicht zwingend gegriffen werden müssen – wie ein Pizzateig, der in die Luft geworfen wird.

Genau darin liegt nun eine wesentliche Herausforderung für die Entwickler. Sie wollen einen Roboter bauen, der eine Pizza weitestgehend selbstständig zubereitet. Pate dafür stand laut Siciliano der beste Pizzabäcker Neapels mit seinen Bewegungen. Einen Prototypen des Roboters gibt es schon. Er besteht aus einer mobilen Plattform mit zwei Leichtbauarmen, Multifinger-Händen sowie einem mit Sensoren bestückten Kopf. Die Plattform will Siciliano im Mai 2018 zum Pizza-Festival in Neapel präsentieren.

Um solche Aufgaben erfüllen zu können, nutzen Service-Roboter zur Orientierung Kameras oder 3-D-Sensoren. Sie ähneln Produkten aus der Computerspielebranche. Sehen wie ein Mensch können die Roboter mit den Sensoren längst noch nicht. Per Bildbearbeitung müssen Objekte zuverlässig erkannt werden. Besonders schwierig ist das bei Greifanwendungen in unstrukturierten Umgebungen.

Laut Richard Bormann, Spezialist für Roboter- und Assistenzsysteme am Stuttgarter Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, sind besonders der Einzelhandel und die Lagerverwaltungen daran interessiert, ihre Regale in Zukunft von Service-Robotern prüfen und aufräumen zu lassen. „Hierfür muss die genaue Lage der Artikel bestimmt werden“, stellt er fest. Sein Institut hat für diese Herausforderung eine Softwarebibliothek entwickelt, mit unterschiedlichsten Verfahren zum Einlernen und Erkennen von Gegenständen.

Einen Eindruck vom aktuellen Stand der Technik vermittelt ein mobiles Kamerasystem zur Objekterkennung, wie es die Teilnehmer der Expertdays zu sehen bekamen. Das System erkennt z. B. auf einem Tisch willkürlich verteilte Lebensmittel. Anhand der Eigenschaften ihrer Verpackungen wie Bild und Text, Form und Größe sowie Beschaffenheit werden sie kategorisiert. Die Kamera machte in gewissen Zeitabständen Bilder, die auf einem Bildschirm angezeigt wurden. Hat das System einen Artikel erkannt, wird das mithilfe eines Rahmens auf dem Bildschirm angezeigt. Bei einem Abstand der Kamera zum Objekt von etwa 50 cm werden laut Bormann 95 % der Produkte erkannt. Bei einem Abstand von 1,5 m identifiziert das System rund 75 % der Waren. „Die größte Herausforderung beim Zuordnen der Produkte ist das Erkennen“, sagt der Wissenschaftler. Speziell kleine Verpackungen bereiteten noch Probleme.

Das zuverlässige Erkennen und feinfühlige Greifen von Objekten bleibt also weiterhin eine technische Herausforderung. Menschliche Barkeeper sind also weiter im Vorteil.