Technische Herausforderungen der Mondlandung vergleichbar

Während in Japan Industrie und Universitäten mit staatlicher Förderung schon lange bei der Entwicklung von Robotern für den Homecare-Bereich zusammenarbeiten, bot sich in Deutschland bisher ein fragmentiertes Bild mit verteilten Kompetenzen. 2006 startete als Teil der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern mit dem Cluster Cognition for Technical Systems (CoTeSys) in München zum ersten Mal ein breites, interdisziplinäres Projekt, an dem über 100 Wissenschaftler beteiligt sind. Neurologen und Biologen erforschen kognitive Fähigkeiten von Mensch und Tier und ihre Übertragbarkeit auf technische Systeme, Psychologen die Anforderungen an verbale und nonverbale Kommunikation zwischen Roboter und Mensch.

In den technischen Fakultäten werden mechanische, physikalische und regelungstechnische Fragen angegangen. Ausdruck interdisziplinärer Forschung ist das CoTeSys Central Robotics Laboratory – kurz CCRL. Auf einer Experimentalfläche von 400 m2 arbeiten Forscher daran, dass Roboter und Menschen Aufgaben gemeinsam lösen können. So wird in der eigens aufgebauten „Roboter-WG“ das Zusammenspiel von Menschen und Service-Robotern realitätsnah untersucht. Die CoTeSys-Wissenschaftler haben sich verpflichtet, die entwickelten kognitiven Verfahren in technischen Demonstrationsszenarien zu testen und ihre Überlegenheit gegenüber klassischen Ansätzen nicht nur auf Papier zu demonstrieren.

Während es schon Service-Roboter für Reinigungs- und Sicherheitsdienste gibt, sind im Homecare-Bereich noch viele technologische Sprünge zu bewältigen. Denkbar ist Folgendes: Zunächst werden keine Roboter, sondern technische Hilfsmittel von dieser Forschung profitieren, etwa Roboterarme auf Rollstühlen oder Geräte zum Füttern hilfloser Menschen, wie My Spoon der japanischen Secom Co., Tokio. Bei der physischen Unterstützung von Menschen werden wahrscheinlich motorische Exoskelette wie das HAL (Hybrid Assistive Limb) der Cyberdyne Inc., Ibaraki/Japan, den Markt erobern.

Offenkundig überlappen sich im Healthcare-Bereich Entwicklungen zur Robotik, zu Hilfsmitteln für Behinderte, aber auch zur Prothetik. In der Prothetik werden ebenso humanoide mechatronische Systeme benötigt, mit der Steuerung durch Nerven des Menschen wird erfolgreich experimentiert. Die Roadmap wird zunächst auch mit Informationssystemen beginnen, die dem zu Betreuenden helfen, Termine einzuhalten oder per Telefon oder Internet die Verbindung mit der Außenwelt aufrecht zu erhalten. Diese Systeme werden – wie jetzt ELIAS bei CoTeSys – auf mobilen Roboterplattformen fahren und mit den Kameraaugen den Zustand der Wohnung oder des zu betreuenden Menschen überwachen. In einem weiteren Schritt sollen diese Roboter auch Arme und Hände haben, um zunächst begrenzte Pick-and-Place-Aufgaben zu bewältigen. Es werden aber wohl noch Jahrzehnte vergehen, bis in den Anzeigen der Automobil- und TV-Programmzeitschriften nicht nur Treppen-Sitzfahrstühle angeboten werden, sondern auch der General-Purpose-Roboter als physischer und vielleicht auch psychischer Helfer.

Dr. Uwe L. Haass

General Manager des Exzellenzclusters CoTeSys an der TU München

1. Mechanisch/Elektrisch/Physikalisches Verhalten

Anders als der fest auf einem Maschinensockel installierte Industrieroboter ist ein mobiler Service-Roboter mit menschenähnlichen Proportionen ein oft an der Grenze der Stabilität und Präzision agierendes und heutzutage auch noch sehr schweres Gerät (zwischen 150 und 250 kg). Noch können diese Labor-Roboter meist nicht mehr als 1/20 ihres Eigengewichtes heben oder tragen. Ein zentrales Problem ist das Einhalten des Gleichgewichtes, besonders, wenn solch ein Roboter noch einem Menschen beim Gehen oder beim Aufstehen aus dem Bett oder gar vom Fußboden helfen können soll.

Da innerhalb der fünfjährigen Laufzeit der ersten Phase des Forschungsprojektes CoTeSys technische Demonstrationen sehr früh geplant waren, wurden bei den gewählten Service-Robotern daher mobile Plattformen mit Rädern gewählt. Sehr erfolgreich sind die Arbeiten bei der Regelung und Steuerung der Bewegungsabläufe und der Integration einzelner Sensoren. Für einen künftigen Einsatz im Homecare-Bereich fehlen jedoch industriell hergestellte und optimierte Komponenten wie leichte Arme und Gelenke, die hohe Kräfte erzeugen oder übertragen können, leichtere Batterien oder leichte und energiesparsame Antriebe, die ein breites Spektrum von Geschwindigkeiten erlauben.

2. Sensorik

Die Bildverarbeitung zur Interpretation von Objekten und Umgebung ist in Deutschland weit entwickelt. Auch können Gesichter Personen zugeordnet und deren Mimik und Emotionen gut erkannt beziehungsweise interpretiert werden.

Wesentlich problematischer ist die taktile (haptische) Erkennung, zum Beispiel durch Drucksensoren an den mechanischen Greifern und Fingern. Hier fehlen noch geeignete Sensoren; aber auch die Integration mit den visuellen Sensoren ist noch ein Forschungsgegenstand. Beim Greifen ist die rein visuelle Interpretation oft nicht ausreichend präzise, selbst wenn räumliche Daten erfasst werden. Erst in der taktilen Integration, bei der Gegenstände „erfühlt“ oder gar „abgetastet“ werden, können sichere Greifpositionen ermittelt werden, ohne dass etwa eine Flasche den mechanischen Fingern entgleitet.

Service-Roboter mit menschenähnlichen Proportionen sind aufgrund der Summe von Erschütterungen am Boden, dem Schlupf und Spiel in den zahlreichen Gelenken und Antrieben ein eher wackeliges Gerät, dessen Präzision bei Handhabungen nur durch Sensoren und Regelungstechnik ermöglicht werden kann. Ein großes Forschungsthema ist daher die Koordination von Kameraaugen im Roboterkopf, Arm und Händen unter solchen Bedingungen.

3. Mensch-Maschine-Kommunikation

Der Mensch-Maschine-Kommunikation wird eine zentrale Bedeutung eingeräumt. Der Roboter soll ja nicht nur Befehle verstehen, sondern im Homecare-Bereich auch einen Dialog mit dem Menschen führen können, etwa über Medikation, Termine oder zur Unterhaltung. Die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ist bei CoTeSys ein zentrales Thema, so dass verbale wie auch nonverbale Kommunikation erforscht werden. Sprachein- und ausgabe ist Standard, aber auch die Erkennung von Mimik und Emotionen ist möglich. Der Kunstkopf des Münchner Roboters Eddie kann sogar Emotionen darstellen. Die Experten erforschen auch, wie Menschen untereinander sowie Mensch und Roboter durch Bewegungen kommunizieren. So hat der Münchner Roboter ACE den Marienplatz in München nur dadurch erreicht, dass er Passanten nach dem Weg gefragt und diese allein mit Zeigen der Richtung mit Arm und Hand die Information vermitteln mussten.

4. Kognitive Fähigkeiten

Hier besteht das Kernziel von CoTeSys: kognitive Fähigkeiten bedeuten, dass technische Systeme planen, entscheiden, lernen, vor Überraschungen gefeit sind – und sich auch selbst informieren können.

Bei CoTeSys hat die Zukunft schon längst begonnen. Wenn der künftige Homecare-Roboter von der Fabrik geliefert wird, so ein Szenario, dann steht er erst einmal ein paar Tage in der Küche, um zu lernen, was dort vor sich geht, wo die Objekte aufbewahrt werden, was für einen Frühstückstisch benötigt wird und wer was zum Frühstück zu sich nimmt. Damit soll er lernen, einen Frühstückstisch zu decken und abzuräumen. Dazu kann er die Personen und deren Vorlieben identifizieren. Weiß der Roboter nicht, was eine Tasse ist, geht er ins Internet und sucht unter Google Bilder von Tassen, um die Gegenstände zu vergleichen. Im Internet kann er auch finden, wie Nudeln gekocht werden.