Die Hand ist ein wahres Wunderwerk der Natur: 27 Knochen, 28 Gelenke, 33 Muskeln und Tausende von Sinneszellen ermöglichen es ihr, schwere Lasten genauso sicher zu heben wie rohe Eier. Seit Jahren ist es Ziel von Forschern und Ingenieuren, die Flexibilität und Vielseitigkeit der menschlichen Hand auf die Greifwerkzeuge von Robotern zu übertragen. Mit dem Trend zur flexiblen Produktion der Industrie 4.0 und dem Einzug in das alltägliche Leben mit seinen vielfältigen Greifaufgaben wird die Notwendigkeit für ein derartig vielseitiges Greifinstrument noch drückender.
Und tatsächlich werden immer mehr Lösungen entwickelt, die zumindest grundsätzliche Fähigkeiten der menschlichen Hand kopieren können. Wesentliche Faktoren dabei sind eine wohl dosierte Greifkraft und der Tastsinn. Die Firma Schunk hat zum Beispiel bereits einen Greifer auf den Markt gebracht, der mithilfe speziell entwickelter Greifstrategien und Kraftmessbacken in den Fingern sein Verhalten in Echtzeit darauf abstimmt, ob ein Werkstück oder womöglich eine menschliche Hand gegriffen wird. Doch der Schunk-Greifer besteht nur aus zwei Fingern – komplexe Bewegungen wie das Drehen oder Rollen eines gegriffenen Gegenstandes sind damit nicht möglich.

Die Roboterhand lernt, richtig zu greifen

„Die Handmanipulation ist eines der schwierigsten Probleme, das die Robotik zu lösen hat“, sagt Vikash Kumar, Doktorand an der University of Washington. „Viele Roboter haben schon ziemlich leistungsfähige Arme, aber die Hand wird über so einfache Dinge wie einen Saugnapf oder vielleicht eine Zange oder einen Greifer realisiert.“ Kumar ist Mitglied eines Teams von Computerwissenschaftlern und Ingenieuren, die diese Aufgabe lösen wollen. Sie haben eine Roboterhand entwickelt, die mit fünf Fingern, 40 Sehnen, 24 Gelenken und mehr als 130 Sensoren menschenähnliche Greifbewegungen durchführen kann. Diese leistungsfähige Hand haben die Wissenschaftler mit Algorithmen zum maschinellen Lernen kombiniert. „Es wird ziemlich chaotisch und Kollisionen geschehen, wenn man ein Objekt mit verschiedenen Fingern anfasst. Damit können herkömmliche Steuerungsalgorithmen nur schwer umgehen“, so Sergey Levine, Assistenz-Professor an der University of Washington. Die Wissenschaftler entwickelten daher einen Algorithmus, der das hochkomplexe Verhalten der fünf Finger modelliert und Bewegungen plant, um verschiedene Resultate zu erzielen. Während jeder Manipulationsaufgabe sammelt das System über Sensoren und Motion-Capture-Kameras Daten zur ausgeführten Bewegung, die dann schließlich über Algorithmen zum maschinellen Lernen kontinuierlich verbessert werden.

„Die Handmanipulation ist eines der schwierigsten Probleme, das die Robotik zu lösen hat“
Vikash Kumar, Doktorand, University of Washington

Auch unbekannte Objekte sicher handhaben

So lassen sich auch komplexe Greifaufgaben realisieren. Doch was passiert, wenn die Hand empfindliche Gegenstände wie zum Beispiel ein rohes Ei greifen soll? Diese Aufgabe stand im Fokus eines vom Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) des MIT konstruierten Greifers: Er besteht aus drei weichen Silikonfingern. Sie umgreifen empfindliche Objekte komplett und fassen sie so sehr sicher und schonend. Harte oder außergewöhnlich geformte Gegenstände werden dagegen nur mit den Fingerspitzen gegriffen, was ein präziseres Fassen mit höherem punktuellen Druck ermöglicht. Um zu entscheiden, wie ein Gegenstand gegriffen wird, misst der Greifer dessen Form über Sensoren. Anhand von gerade einmal drei Datenpunkten identifiziert die Recheneinheit des Roboters den Gegenstand. Dazu vergleicht das System die Daten mit vergangenen Greifaufgaben. „Wenn wir Roboter in menschenzentrierten Umgebungen einsetzen wollen, müssen sie adaptiver sein und mit Objekten umgehen können, deren Form und Position nicht exakt bekannt sind“, erklärt Daniela Rus, Leiterin des Distributed Robotics Lab am CSAIL. „Unser Traum ist es, einen Roboter zu entwickeln, der wie ein Mensch in einer einzigen nahtlosen Bewegung sich einem Objekt nähert, die Größe und Form abschätzt und herausfindet, wie er es greifen kann.“

Haarige Sensoren

Dazu sind auch neue Sensoren erforderlich, die nicht nur die Form eines Objektes erfassen, sondern auch erkennen, ob es weich ist oder ob es ins Rutschen kommt, weil der Griff nicht fest genug ist. So entwickelt die Firma Tacterion taktile Sensoren in Form einer dünnen künstlichen Haut auf Polymer-Basis. Ähnlich den Nervenzellen der menschlichen Haut kann sie über tastempfindliche Sensoren auch den kleinsten Druck „spüren“ und die entsprechenden Daten verarbeiten. Die chinesischen Forscher Rongguo Wang und Lifeng Hao vom Harbin Institute of Technology arbeiten daran, eine elektronische Haut mit feinsten Härchen-Sensoren auszustatten. Sie bestehen aus Mikrodrähten auf Kobaltbasis, die von einer dünnen Glasschicht überzogen und in einen robusten, gummiartigen Hautsensor eingebettet sind. Die haarige Roboterhaut kann das Landen einer Fliege, einen leichten Windstoß oder ein fünf Kilogramm schweres Gewicht erspüren. Zudem kann der neuartige Sensor auch fühlen, wenn ein gegriffenes Objekt ins Rutschen gerät. „Der Sensor zeigt einige außergewöhnliche Fähigkeiten sowie das Aufspüren von Luftzügen, die Charakterisierung von Materialeigenschaften und eine exzellente Robustheit gegenüber Schäden“, so die Forscher.

(Bildnachweis: Istockphoto: CSA Images)

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Seit seinem dritten Afghanistan-Einsatz ist Romy Carmago von den Schultern abwärts gelähmt. Doch der US-Veteran gab nicht auf: Obwohl die Ärzte ihm sagten, er würde nie wieder ohne Beatmungsgerät atmen können, benötigt er heute keines mehr. Die Ärzte sagten ihm auch, er würde nie wieder gehen oder seine Arme benutzen können, doch er ist sich sicher, dass er es irgendwann schafft.

Mit Technik wieder auf die Füße kommen

Wenn nötig, auch mit Technik: Carmago hat die „Stay in Step“-Rehaeinrichtung in der Nähe seiner Heimatstadt Tampa, Florida, ins Leben gerufen. Das Zentrum bietet Programme und technische Hilfsmittel, mit denen Querschnittsgelähmte wieder stehen und trainieren können. Die Einrichtung hilft Menschen im wahrsten Sinne des Wortes wieder auf die Füße.
Ende 2016 konnte Carmago dazu ein ganz neues Hilfsmittel testen – den „Human Support Roboter“ (HSR) von Toyota. Das Forschungsinstitut des japanischen Konzerns unterstützte von Anbeginn das Rehazentrum des US-Veterans. Da lag es nahe, auch den im Jahr 2015 der Öffentlichkeit vorgestellten Pflegeroboter als Unterstützung für querschnittsgelähmte Menschen zu testen.

Hilfe für die alternde Gesellschaft

Ursprünglich wurde der HSR Roboter konzipiert, um Senioren zu pflegen. Ein lukrativer Markt, geht die Weltgesundheitsorganisation WHO doch davon aus, dass bis zum Jahr 2050 22 Prozent der Weltbevölkerung über 60 Jahre alt sein wird. Noch dramatischer ist die Entwicklung in Japan: Hier sollen bis zum Jahr 2060 fast 40 Prozent der Bevölkerung
65 oder älter sein. Entsprechend groß ist der Bedarf an Langzeit-Pflegekräften. Und das ist auch der Grund, warum in Japan so viele Pflegeroboter entwickelt werden.
Auch der vielseitig einsetzbare HSR setzt hier an: Durch die Übernahme alltäglicher Aufgaben können pflegebedürftige oder auf Hilfe angewiesene Personen weiterhin allein zu Hause leben. Der 37 Kilogramm leichte und rund ein Meter hohe Roboter kann beispielsweise mit seinem flexiblen Greifarm Gegenstände vom Boden aufheben oder aus dem Regal nehmen und wieder zurückstellen und Vorhänge vor- bzw. zurückziehen.
Die Steuerung des HSR Roboter ist aus der Ferne möglich: Familienmitglieder oder Freunde können den Roboter auch lenken, wenn sie gar nicht vor Ort sind. Das Gesicht des Bedienenden wird dann im Display angezeigt, seine Stimme wird in Echtzeit wiedergegeben – so ist eine Interaktion mit Angehörigen und Freunden möglich.
Um die weitere Entwicklung des Roboters voranzutreiben, gründete Toyota gemeinsam mit einer Reihe von Forschungseinrichtungen die HSR Developers‘ Community. Ihr Ziel ist die praktische Erprobung, kontinuierliche Verbesserung und schnellstmögliche Einführung des HSR. Außerdem wird der Roboter verschiedenen Partnerorganisationen wie Universitäten, aber auch Pflegeeinrichtungen zur Verfügung gestellt, um die Software weiter zu verfeinern.

Test im Alltag

So fand der HSR auch den Weg zu Romy Carmago, der den Roboter zuhause testete. Der Assistenzroboter sollte zwei recht einfache Aufgaben übernehmen, um Carmago in seinem Alltag zu helfen: Der Roboter sollte die Haustür öffnen, sobald Carmago sich ihr näherte. Und er sollte dem Veteran­ zu trinken geben, wenn er es wünschte. Zwei Aufgaben, die viel Training für den kleinen Roboter bedeuteten. Das Fazit der Toyota-Forscher ist auch wenig euphorisch: Sie schreiben, dass noch ein weiter Weg zu gehen sei, bevor die Technologie fit für die reale Welt ist. Doch die Entwicklung geht weiter. Die Forscher sind zuversichtlich, dass der HSR eines Tages über die nötigen Fähigkeiten verfügt, um Menschen wie Romy Camargo ein unabhängigeres Leben zu ermöglichen.

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Gerade vor Weihnachten erlebt man in den Städten die Folgen des stetig steigenden Online-Handels: Gefühlt steht alle paar Meter ein Lieferwagen eines Paketdienstleisters auf der Fahrbahn, meist in zweiter Reihe – das kostet nicht nur Nerven, sondern verstopft die Straßen und führt zu steigenden Emissionen. Experten arbeiten daher fieberhaft und mit viel Kreativität an neuen Konzepten, um die Situation nachhaltig zu lösen.
Mit etwas Glück konnte man im Hamburger Stadtteil Ottensen eine dieser Lösungen live erleben: Der Logistikdienstleister Hermes Germany testete bis März 2017 Zustellroboter des Start-up-Unternehmens Starship Technologies. „Der Einsatz von Robotern kann die Zustellung von Päckchen und Paketen speziell im städtischen Raum nachhaltig revolutionieren“, so Frank Rausch, CEO bei Hermes Germany.

Unterwegs auf dem Gehweg

Der Lieferroboter 6D9 ist ein Fahrzeug mit sechs Rädern, ist 50 Zentimeter hoch und 70 Zentimeter lang. In seinem Inneren bietet er ein gesichertes Fach, in dem Sendungen mit einem Gesamtgewicht von maximal 15 Kilogramm transportiert werden. Der Zustellroboter wird ausnahmslos auf Fußwegen eingesetzt und fährt maximal mit Schrittgeschwindigkeit, also 6 km/h. Radwege und Straßen werden nur nach vorheriger Prüfung gekreuzt. Die eingebauten Kameras und Sensoren sorgen obendrein dafür, dass nahende Hindernisse automatisch erkannt werden – und der Roboter sofort stoppt. Dank hell leuchtender LEDs ist jeder Roboter auch von weitem gut erkennbar.

Ein neuer Servicekanal

Die Roboter können in einem Umkreis von bis zu fünf Kilometern eingesetzt werden. Auf diese Weise sind automatisierte Zustellungen innerhalb von 30 Minuten ab Beauftragung durch den Kunden möglich. Während des Pilottests pendeln die Zustellroboter zwischen den teilnehmenden Paket-Shops und ausgewählten Testkunden. Transportiert werden reguläre Sendungen, die auf Wunsch des Kunden nicht nach Hause, sondern in einen Paket-Shop von Hermes geliefert werden. Anstatt eine Sendung nach Anlieferung im Shop persönlich dort abzuholen, können die Tester per Smartphone einen Roboter damit beauftragen, ihnen die Sendung nach Hause zu bringen. Konventionelle Zustelltouren oder gar Zusteller ersetzen die Roboter somit nicht. Vielmehr installiert Hermes mit dem Starship-Roboter testweise einen neuen Servicekanal, der die persönliche Abholung von Sendungen im Shop ablöst.

Gut geschützt vor Diebstahl

Die Sendungen sind im Transportfach per Sicherheitsschloss, Überwachungskamera und PIN-Code-Abfrage vor unbefugtem Zugriff gesichert. Hat das Fahrzeug sein Ziel erreicht, erhält der Empfänger eine SMS-Benachrichtigung und kann seine Sendung an der Haustür entgegennehmen. Das Öffnen des Transportfachs erfolgt über einen individuellen verschlüsselten Öffnungslink. Sollte jemand versuchen, das Fach mit Gewalt zu öffnen, löst der Roboter umgehend Alarm aus und verständigt den Operator. Dank konstantem GPS-Signal lässt sich die Position des Fahrzeugs jederzeit zurückverfolgen.

Noch mit menschlicher Begleitung

6D9 navigiert über eine Mischung aus Ortungssignalen (zum Beispiel GPS) und visueller Erkennung der Umgebung über mehrere Kameras. Zebrasteifen und Ampelsysteme erkennt das System automatisch. Dafür sorgen Sensoren und neun Kameralinsen, die die empfangenen Bilddaten in Echtzeit vollautomatisch in entsprechende Handlungsanweisungen umrechnen. An heiklen Stellen und bei Unsicherheiten wird über das Internet ein menschlicher Remote-Operator hinzugeschaltet, der in der Leitzentrale von Starship in Tallinn sitzt. Er kann sich die Kamerabilder des Roboters zeigen lassen und erhält die entsprechenden Navigationsdaten, sodass er dem Lieferroboter per Fernbedienung aus schwierigen Situationen helfen kann. Mit jeder Fahrt „lernt“ der Paketroboter dazu und steigert dadurch seinen Grad an Autonomie. Auf den Testfahrten werden die Lieferroboter dennoch durchgehend von einer Person begleitet und überwacht, damit möglichst viele Informationen zum Betrieb gesammelt werden können.

(Bildnachweis: Istockphoto: Altayb)

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Runde um Runde dreht der kleine kastenförmige Roboter in dem Parkhaus und wacht über die abgestellten Autos – ohne müde zu werden, ohne in der Aufmerksamkeit nachzulassen. Zwar sieht er recht unscheinbar aus, aber die fünf Antennen auf seinem „Dach“ lassen erahnen, wie viel Technik in ihm steckt: Denn der SAM3 genannte Roboter verbirgt in seinem gerade einmal einen halben Meter großen Gehäuse unter anderem eine 360-Grad-­Kamera, eine Thermalkamera, einen Laserscanner, verschiedene Sensoren und einen ID-Reader. Damit kann der smarte Wächter während der Fahrt Objekte und Menschen erkennen. Da SAM3 genau weiß, wie der Grundriss des bewachten Hauses aussieht, kann er auf seiner Patrouille problemlos Hindernissen ausweichen, den Fahrstuhl nehmen und sogar automatische Türen öffnen.

Hilfreicher Kollege

Entwickelt hat den Roboter die in Den Haag ansässige Robot Security Systems. Gemeinsam mit dem Facility-Management-Unternehmen Sodexo testet das Unternehmen seit August 2016 den Einsatz des SAM3 als mobilen Parkhaus-Wächter. „Technologie kann unsere Arbeit leichter, sicherer und effizienter machen”, meint Sepp Rickli, der als General Services Manager von Sodexo das gemeinsame Projekt betreut. „Der Roboter wird unsere Sicherheitsmitarbeiter nicht ersetzen, aber er wird ein hilfreicher Kollege sein.“
Die Gründer von Robot Security Systems haben selbst jahrelang in der Sicherheitsbranche gearbeitet und sind immer wieder auf eine Schwachstelle gestoßen: den Menschen. Denn menschliches Sicherheitspersonal kann abgelenkt werden beziehungsweise ermüden und die Aufmerksamkeit kann auf Routinerunden nachlassen – außerdem können Menschen bestochen werden. Die Lösung soll nun SAM3 sein. Der Roboter wurde speziell für Security-Aufgaben konzipiert. Mit seinen Sensoren und Kameras ist er Augen und Ohren des menschlichen Wachpersonals. So kann er in existierende Sicherheitssysteme integriert werden. Sollte er zum Beispiel einen Eindringling entdecken, alarmiert er sofort die Leitstelle. Dort entscheidet dann ein Mensch, welche Maßnahme eingeleitet wird.

SAM3 kann mehr als ein Wächter sein

„Der Roboter ist mit verschiedenen Features vorprogrammiert wie einem Lageplan, den Standorten der Detektoren und dem Maßnahmenkatalog für das Security-Personal”, erläutert Edwin Lustig, CEO von Robot Security Systems. SAM3 kann zudem mit verschiedenen zusätzlichen Sensoren ausgestattet werden und so auch Hitze beziehungsweise Feuer, Strahlung, Fehler in elektrischen Anlagen, CO2 oder andere giftige Gase entdecken.
Sodexo-Manager Rickli kann sich aber noch andere Aufgaben für seinen metallenen Parkhaus-Wächter vorstellen: „Der Roboter kann auch zur Gastfreundlichkeit beitragen, indem er zum Beispiel Besucher zu ihrem Ziel im Gebäude begleitet, freie Parkplätze identifiziert oder einen menschlichen Kollegen herbeiruft.”

(Bildnachweis: Istockphoto: AndreyPopov, Creative Images; Robot Security Systems)

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„Der Einzug von Robotern wird große Teile unserer Arbeitswelt auf den Kopf stellen“, betont Dr. Martin Sonnenschein, Partner und Europachef bei A.T. Kearney. „In 20 Jahren wird fast die Hälfte der heutigen Arbeitsplätze in Deutschland durch Roboter ersetzt werden, die die Jobs effizienter erledigen können.“ Das sagte Dr. Sonnenschein bereits Ende 2015 bei der Präsentation einer Studie, die die Unternehmensberatung im Rahmen ihrer Gesellschaftsinitiative „Deutschland 2064 – die Welt unserer Kinder“ erstellt hat. Nach A.T. Kearneys Analysen weisen in Deutschland über 300 und damit ein Viertel aller Jobprofile ein hohes Automatisierungsrisiko in den nächsten beiden Jahrzehnten auf. Der mögliche Effekt für den Arbeitsmarkt ist drastisch, weil in diesen Bereichen 17,2 Millionen Männer und Frauen beschäftigt sind – das sind 45 Prozent aller Beschäftigten. Allerdings entfällt auch ein Beruf mit hoher Automatisierungswahrscheinlichkeit nicht zwangsläufig vollständig.
Eine im gleichen Zeitraum erschienene Studie der Bank Ing-Diba wird konkret: Demnach sind 18,3 Millionen Arbeitsplätze alleine in Deutschland durch die fortschreitende Technologisierung bedroht. Beide Studien transferieren die Methode, die Ökonom Carl Benedikt Frey und der Ingenieur Michael Osborne 2013 für den US-amerikanischen Markt genutzt haben, auf Deutschland. Nach Frey und Osborne werden demnach 47 Prozent der Arbeitsplätze in den USA mit hoher Wahrscheinlichkeit „robotisiert“. Die Weltbank berechnete mit dieser Methode auch die Aussichten für Indien und China: Danach wären in Indien 69 Prozent aller Jobs bedroht, in China sogar 77 Prozent.
Besonders Niedriglohn-Jobs sind betroffen: Laut dem „Economic Report 2016“, der vom Council of Economic Advisers (CEA) herausgegeben wurde, laufen sie zu 83 Prozent Gefahr, langfristig von Robotern mit Künstlicher Intelligenz ersetzt zu werden. Doch nicht nur der einfache Arbeiter muss sich sorgen machen: Laut den Marktanalysten von Gartner werden schon in 2018 mehr als 3 Millionen Arbeiter weltweit von „Robo-Bossen“ beaufsichtigt. Das sind nicht Roboter im herkömmlichen Sinne, sondern Software-Systeme, die die Leistungsdaten der Mitarbeiter messen und überwachen – besser und genauer, als es ein menschlicher Manager könnte.
Eines steht fest: Die Automatisierung wird einen großen Einfluss auf die Arbeitswelt haben. „Das fordert uns viel Veränderungsbereitschaft und Flexibilität ab“, so A.T. Kearney-Europachef Dr. Martin Sonnenschein. „Wer sie aufbringt, kann von diesem drastischen Wandel aber auch profitieren – als Arbeitnehmer und als Arbeitgeber. Wir können abwarten und uns von der Automatisierung überrollen lassen. Oder wir können uns mit Mut zu Wandel und Veränderung darauf einlassen – und flexibel und neugierig nach den neuen Möglichkeiten suchen, die sich daraus ergeben.“

Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau sieht in den von der Ing-Diba prognostizierten Jobverlusten eine klare Fehleinschätzung: Die Studie überschätze das Potenzial von zum Beispiel Kochrobotern, humanoiden Hotelrobotern und Paketauslieferungs-Drohnen. Auch eine Studie im Auftrag des Bundesarbeitsministeriums widerspricht den Aussagen der Ing-Diba: Nach Überprüfung des Automatisierungspotenzials von Tätigkeiten – anstatt von Berufen – weisen nicht mehr als zwölf Prozent der Arbeitsplätze ein Profil mit hoher Automatisierungswahrscheinlichkeit auf. Dass die Sorgen, Roboter würden Menschen die Arbeitsplätze wegnehmen, unbegründet sind, zeigt sich zum Beispiel in der deutschen Automobilindustrie: Hier wurde der Bestand an Industrierobotern in Deutschland von 2010 bis 2014 um 15 Prozent auf 92.000 Einheiten ausgeweitet. Im selben Zeitraum erhöhte sich die Zahl der Beschäftigten um zehn Prozent auf 775.000. Mit den jetzt auf den Markt kommenden kollaborativen Robotern würden sich zusätzlich viele neue Einsatzmöglichkeiten erschließen. Auch die Boston Consulting Group sieht die Automatisierung positiv. Denn es verschwinden zwar einige Tätigkeitsprofile, doch dafür entstehen auch wieder völlig neue. Einem Jobverlust von rund 610.000 Jobs stehen nach Berechnungen der Marktexperten rund eine Million Jobs gegenüber, die bis 2025 entstehen könnten. „Neue Technologien wie Augmented Reality oder robotergestützte Arbeitsplätze können sogar dazu beitragen, dass gering qualifizierte Arbeitnehmer wieder in den Arbeitsmarkt integriert werden können“, so Markus Lorenz, BCG-Partner und Experte für Industrie 4.0.

610.000 Arbeitsplätze fallen in Deutschland durch Digitalisierung weg

1 Million neue Arbeitsplätze entstehen dank Automatisierung

Den Arbeitnehmern, zumindest in Deutschland, sind die Veränderungen der Arbeitswelt bewusst. Statt darin jedoch eine Bedrohung für ihren Job zu sehen, haben die Beschäftigten vor allem die Vorteile solcher Technologien im Arbeitsalltag im Blick. Das zeigt eine zum Weltwirtschaftsforum in Davos Anfang 2017 veröffentlichte Studie von Accenture Strategy. Dennoch mahnt Frank Riemensperger, Vorsitzender der Geschäftsführung von Accenture in Deutschland, Österreich und der Schweiz: „Der digitale Wandel kann nur gelingen, wenn Unternehmen stärker als bisher in den Aufbau neuer Kompetenzen und zusätzlicher Qualifikationen in der Belegschaft investieren. Dabei geht es weniger darum, die Beschäftigten auf neue Berufe umzuschulen, sondern ihnen kontinuierlich die nötigen Kompetenzen für den Umgang mit neuen Technologien zu vermitteln. Die Digitalisierung führt unterm Strich nicht zu einem Verlust von Arbeitsplätzen, sie stellt aber neue Anforderungen an die Arbeitnehmer. Die Bedeutung der ständigen Weiterqualifizierung am Arbeitsplatz wird stark zunehmen, nicht zuletzt, da die Halbwertszeit unseres Wissens angesichts der rasanten technologischen Entwicklungen immer kürzer wird.“

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Seit September 2016 setzt der Logistikdienstleister Fiege Kommissionierroboter in seinem Schuhlager in Ibbenbüren ein. Drei mobile Roboter vom Typ Toru Cube kommissionieren dort online bestellte Schuhe. Der wahrnehmungsgesteuerte und vernetzte Roboter des Münchener Start-ups Magazino kann mit seinem Laser- und Kamerasystem autonom einzelne Objekte in Regalen lokalisieren, identifizieren und anschließend stückgenau greifen sowie zum Bestimmungsort transportieren.

Flexibles Arbeiten ohne starres Programm

Jens Fiege, Vorstand des Familienunternehmens: „Wir verfolgen mit dem Einsatz neuer Technologien immer das Ziel, unsere logistischen Abläufe schneller und effizienter zu machen.“ Dazu verfügt der Roboter über ein hohes Maß an Autonomie: Wenn er für einen Auftrag losfährt, weiß er noch nicht genau bis ins letzte Detail, was er tun wird, sondern trifft die Entscheidung auf dem Weg zum Ziel. Erst wenn er so nah am Lagerort ist, dass er die angeforderten Schuhe sehen kann, trifft er die letzten Anpassungen: Er bestimmt die Position des Kartons und leitet daraus die folgenden Aktionen ab. Letztendlich hat der Roboter kein starres Programm, sondern er greift auf eine Sammlung von Verhaltensregeln zurück, die unter bestimmten Bedingungen sagen, welche Aktionen erforderlich sind.

Roboter erkennt einzelne Objekte

Eine Besonderheit des Kommissionierroboters ist es, dass er sowohl ganze Ladungsträger, zum Beispiel Paletten, aus dem Regal entnehmen kann, als auch einzelne Produkte. Er erkennt über seine Lasersensoren und 3D-Kameratechnik selbstständig einzelne Objekte im Fachbodenregal. Magazino hat dazu ein eigenes Objekterkennungs-Verfahren entwickelt: Bei dem Sheet-of-Light genannten System projiziert ein Kreuzlaser zwei zueinander senkrecht stehende Laserlinien auf das zu vermessende Objekt. Eine 2D-Kamera nimmt die reflektierten Laserstrahlen auf und vermisst das Objekt anhand der Position der Linien im Kamerabild. Das Verfahren ist für quaderförmige Objekte entwickelt. Gekrümmte Oberflächen wie zum Beispiel Buchrücken lassen sich ebenfalls detektieren. Im Vergleich zur 3D-Kamera werden weniger 3D-Punkte erzeugt und damit eine deutlich geringere Rechenleistung benötigt, sodass der Algorithmus zum Beispiel auf einem Mini-Computer ausgeführt werden kann.

„Wir verfolgen mit dem Einsatz neuer Technologien immer das Ziel, unsere logistischen Abläufe schneller und effizienter zu machen.“
Jens Fliege, Vorstand, Fliege Logistik

Mensch und Roboter arbeiten parallel

Frederik Brantner, Mitgründer und kaufmännischer Geschäftsführer bei Magazino, betont: „Wichtig war von Anfang an, dass die Roboter parallel zum Menschen arbeiten können. Dadurch kann ein Teil des Kommissioniervorgangs flexibel und schrittweise automatisiert werden.“ Dank Sicherheitslaser nimmt der Roboter nicht nur Hindernisse im Weg wahr, sondern auch Mitarbeiter in seiner Umgebung – gleichzeitig kann sich der Roboter damit im Lager orientieren. Reflektoren oder Markierungslinien am Hallenboden sind überflüssig. Einmal angelernt, kann der vernetzte Roboter über seine WLAN-Verbindung außerdem selbst erstellte Karten seiner Umgebung sowie Erfahrungen mit bestimmten Objekten oder Herausforderungen mit neuen Roboterkollegen teilen. Der intelligente Roboter ist zudem in der Lage, nicht nur mit bestehenden Regalen umzugehen, sondern er kann sich auch an neue Situationen und Veränderungen im Lager anpassen.

(Bildnachweis: Istockphoto: Martinina)

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Irgendwo zwischen Flughafen Amsterdam Schiphol und der Stadt Haarlem, auf der längsten Expressbus-Linie Europas: Ein Bus wartet vor einer Ampel auf das Signal loszufahren. Zwei rote Punkte nebeneinander bedeuten auf dieser Ampel Stopp, zwei weiße Punkte übereinander freie Fahrt. Die Ampel springt auf Weiß, sanft setzt sich der Bus in Bewegung und ordnet sich in seiner Spur ein. Rote Ampel voraus – sicher und sanft bremst der Omnibus ab und kommt zum Stehen. Gefahren wird der Bus dabei nicht von einem Menschen, sondern von der Elektronik. Denn es ist der erste autonom fahrende Stadtbus weltweit, der im realen Stadtverkehr unterwegs ist.

Erster autonomer Bus

Allerdings ist immer noch ein Fahrer an Bord. Der ist auf der weiteren Fahrt jedoch etwas unterbeschäftigt, denn der Omnibus hält sicher seine Spur. Er lässt sich auch von zwei Brücken und einer Unterführung nicht irritieren. Nach dem Ortsende beschleunigt er auf die erlaubten 70 km/h. Das Maximaltempo ist programmiert, auch bei dieser Geschwindigkeit lenkt nicht der Fahrer. Automatisiert kommt der Bus an die Haltestelle: anhalten, Türen öffnen und schließen, abfahren. An der nächsten Ampel erkennt der Bus die Stellung des Lichtsignals über sein aufwändiges Kamerasystem. Darüber hinaus kommuniziert das Fahrzeug über ein WLAN-System mit der Streckeninfrastruktur und erhält Informationen zum Ampelstatus. So kann gezielt eine grüne Welle „erfahren“ werden. Während die Ampel umspringt, laufen noch Fußgänger über die Straße. Der Bus verharrt, lässt sie vorüber, wartet mit dem Anfahren, bis die Fahrbahn frei ist. Zur Vermeidung einer Kollision verfügt der Bus über ein automatisches Bremssystem, das selbsttätig eine Zielbremsung einleitet.

Entwicklung speziell für Großstädte

Seit 2016 wird dieser Future Bus von Daimler in Amsterdam auf der Expressbus-Linie (Bus Rapid Transit, BRT) im realen Verkehrsgeschehen getestet. Daimler arbeitet seit einigen Jahren daran, die Technologie des autonomen Fahrens weiterzuentwickeln und zur Serienreife zu bringen. So ist die neue Mercedes-Benz E-Klasse das weltweit erste Serienfahrzeug, das eine Testlizenz für autonomes Fahren im US-Bundesstaat Nevada erhielt. Und der Lkw-Ableger Daimler Trucks hat mit dem in Erprobung befindlichen Highway Pilot ein System entwickelt, das teilautomatisiertes Fahren ermöglicht. Dr. Wolfgang Bernhard, Mitglied des Vorstands der Daimler AG und verantwortlich für Daimler Trucks & Buses: „Mit unserem Highway Pilot haben wir vor knapp zwei Jahren gezeigt: autonomes Fahren wird den Lkw-Fernverkehr effizienter und sicherer machen. Jetzt bringen wir diese Technologie in unsere Stadtbusse: den City Pilot. Das System ist eine Weiterentwicklung speziell für Großstädte. Damit fahren wir teilautonom auf speziell ausgewiesenen Busspuren.“ BRT-Linien wie die in Amsterdam bieten sich als erster Schritt zum vollautomatisierten Fahren mit Bussen im Stadtverkehr an: eine immer gleiche Strecke auf separater Trasse, ein klar definierter Fahrplan, eindeutige und identische Aktionen an Haltestellen.

Kameras und Sensoren intelligent miteinander vernetzt

Der autonom fahrende Bus erkennt, ob die Strecke vor ihm für automatisiertes Fahren geeignet ist und signalisiert dies dem Fahrer. Ein Tastendruck vom Busfahrer aktiviert den City Pilot. Voraussetzung: Der Fahrer nimmt den Fuß von Gas- oder Bremspedal und lenkt nicht, denn jede Fahreraktivität überlagert das Steuerungssystem – der Fahrer bleibt stets Herr des Verfahrens und kann die Kontrolle übernehmen. Die Lösung zum autonomen Fahren umfasst sowohl aktuelle Assistenzsysteme, die zum Beispiel für die Reisebusse von Mercedes-Benz verwendet werden, als auch zusätzliche Systeme, die teilweise von Daimler Trucks übernommen und für den Stadtverkehr weiterentwickelt wurden. Dazu gehören Fern- und Nahbereichsradar, eine Vielzahl von Kameras sowie das satellitengesteuerte Ortungssystem GPS. Kameras und Sensoren sind intelligent miteinander vernetzt, so dass ein präzises Bild der Umgebung und der exakten Position des Omnibusses entsteht.

Rechtlicher Rahmen fehlt noch

Der teilautonom fahrenden Stadtbus soll die Sicherheit im Stadtverkehr deutlich steigern. Experten rechnen damit, dass durch autonomes Fahren bis zum Jahr 2035 die Unfallzahlen um voraussichtlich 80 Prozent sinken. Zudem verbessert der Future Bus dank seiner vorausschauenden Fahrweise die Effizienz, schont Aggregate und senkt Kraftstoffverbrauch wie Emissionen. Und durch die fließende, gleichmäßige Fahrt erhöht er zudem den Komfort der Fahrgäste. Doch noch erlauben die Gesetze keinen autonomen Regelbetrieb auf den Straßen. „Wir müssen die Regelwerke des 20. Jahrhunderts zügig an das 21. Jahrhundert anpassen“, meint daher Dr. Bernhard. „Dabei dürfen wir uns allerdings nicht verzetteln. Bevor wir über alle möglichen Fragen des vollautonomen Fahrens diskutieren, müssen wir erst mal teilautonomes Fahren ermöglichen. Wir müssen dem Fahrer erlauben, die Hände vom Lenkrad zu nehmen.“

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Der Einsatz von Robotersystemen bei Operationen ist nicht mehr neu – schon seit mehreren Jahren wird zum Beispiel das Da-Vinci-Operationssystem in Kliniken weltweit eingesetzt. Doch bisher kontrollierten immer noch Ärzte die Maschine, im Grunde genommen waren die eingesetzten Systeme nichts anderes als ferngesteuerte Hilfsmittel. Doch jetzt gibt es einen Roboter, der Operationen autonom, das heißt ohne Steuerung durch den Arzt, durchführt. Der von Forschern des US-amerikanischen Children‘s National Health Systems entwickelte OP-Roboter „Smart Tissue Autonomous Robot“ (STAR) ist sogar präziser als ein menschlicher Chirurg. Obwohl der Roboter mehr Zeit benötigt hat als sein menschlicher Gegenspieler, konnten die Resultate letztlich überzeugen. Chirurgen und Wissenschaftler des Sheikh Zayed Instituts in Washington demonstrierten die Fähigkeiten des Roboters anhand einer Operation an leblosem Gewebe eines Schweins, aber auch an lebenden Tieren. STAR plante und führte die Wundnaht autonom durch, ein Arzt überwachte den Roboter nur.

Qualität der Operation verbessern

STAR wurde speziell entwickelt, um weiches Gewebe wie Muskeln, Sehnen, Bänder, Nerven, Adern und Bindegewebe zu operieren. Aktuell werden in den USA rund 44,5 Millionen chirurgische Eingriffe an Weichgewebe pro Jahr vorgenommen. „Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial autonomer Roboter, um Wirksamkeit, Beständigkeit, Funktionsniveau und den Zugang zu chirurgischen Techniken zu verbessern“, so Dr. Peter C. Kim, Vizepräsident und Chefchirurg am Sheikh Zayed Institut. „Das Ziel dieser Demonstration ist nicht, den Chirurgen zu ersetzen, sondern wir wollen die menschliche Leistung und Fähigkeit durch Sehvermögen, Geschick und komplementäre Maschinenintelligenz für bessere chirurgische Ergebnisse erweitern.“
Bisher waren Operationen an weichem Gewebe rein manuelle Tätigkeiten und konnten nicht von Robotern unterstützt werden. Der Grund liegt vor allem darin, dass bei einer Operation von weichem Gewebe immer wieder unvorhersehbare elastische und plastische Änderungen auftreten, die vom Chirurgen kontinuierlich Anpassungen erfordern.

Das Ziel ist nicht, den Chirurgen zu ersetzen, sondernde menschliche Leistung und Fähigkeit zu erweitern.

System passt sich in Echtzeit an

STAR löst diese Aufgabe mit einem Tracking-System, das Nah-Infrarot-Fluoreszenzmarker und 3D-Lichtfeldkameras kombiniert. Plenoptische Kameras erfassen neben den üblichen zwei Bilddimensionen auch die Richtung einfallender Lichtstrahlen. Durch die zusätzliche Dimension enthalten plenoptische Aufnahmen Informationen über die Bildtiefe. Mit diesem System ist es möglich, Bewegungen und Veränderungen des Gewebes während des chirurgischen Eingriffs exakt zu erkennen. Das Tracking-System ist mit einem intelligenten Algorithmus kombiniert, der den Eingriff steuert und Anpassungen an Gewebeveränderungen in Echtzeit vornimmt. STAR ist zudem mit druckempfindlichen Sensoren, einer Submillimeter-Positionierung und angetriebenen chirurgischen Werkzeugen ausgestattet. Sein Leichtbau-Roboterarm ermöglicht Bewegungen mit acht Freiheitsgraden.
Nachdem der Roboter seine Effektivität bewiesen hat, besteht laut Dr. Kim der nächste Schritt darin, die chirurgischen Werkzeuge weiter zu minimieren und die Sensoren zu verbessern, um einen breiteren Einsatz für das STAR-System zu ermöglichen. Er geht davon aus, dass das System – oder Teile der Technologie – innerhalb von zwei Jahren in Kliniken eingesetzt werden könnte.

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Roboter sind auf den Schlachtfeldern der Welt längst schon keine Utopie mehr. Bereits heute erkunden sie gefährliche Gegenden, entschärfen Minen oder bergen Verwundete, wie der Sanitätsroboter Bear. Der von Vecna Technologies entwickelte Battlefield Extraction-Assist Robot soll verletzte Soldaten aus der Kampfzone retten, ohne das Leben eines menschlichen Sanitäters zu riskieren. Aktuell wird daran gearbeitet, mehr autonome Fähigkeiten in den Roboter zu integrieren. „Die aktuelle Robotergeneration ist für spezifische Missionen bestimmt, und die meisten Roboter werden immer noch ferngesteuert“, so Thierry Dupoux, Entwicklungschef beim französischen Hersteller Safran Electronics & Defense. Das Unternehmen hat mit dem eRider eine Transportplattform für das Militär entwickelt, die an ein großes Quad erinnert. Das Fahrzeug kann von einem Soldaten gesteuert werden – oder sich autonom durch das Gelände bewegen. „Wir verfolgen einen komplementären Ansatz, inspiriert von der Autoindustrie, der eine vernünftige und stufenweise Einführung autonomer Funktionen mit sich bringt. Dieser Ansatz kann auf jede moderne Transport-, Aufklärungs- oder Kampfplattform angewendet werden.“

Noch benötigen Roboter einen Schießbefehl

Der Trend hin zu immer autonomeren Kampfrobotern wird allerdings selbst vom Militär kritisch gesehen. Bisher setzt keine Armee der Welt Roboter ein, die selbstständig eine Entscheidung zum Schuss treffen. Das gilt auch für die aktuell im Mittelpunkt des öffentlichen Interesses stehenden Drohnen. Roboter wie der von einem Samsung-Tochterunternehmen hergestellte und mit einem Maschinengewehr ausgerüstete SGR-1, den Südkorea zur Kontrolle der Grenze nach Nord-Korea einsetzt, benötigt das explizite Kommando eines Menschen, um zu schießen. Auch bei dem von Qinetiq entwickelte Militärroboter Maars werden die Waffen per Fernsteuerung ausgelöst. Doch von der Technologie her wäre es durchaus möglich, dass Kampfroboter in Zukunft völlig selbstständig ihre Waffen einsetzen – die Entscheidung, ob Roboter diese Macht erhalten, ist längst keine technische Frage mehr, sondern nur noch eine ethische.

Thema für UN-Waffenkonvention

So hat die jährliche Konferenz zur Überprüfung der UN-Waffenkonvention Ende 2016 in Genf beschlossen, sich dem Thema der vollständig autonomen Waffen, die ihre Ziele ohne nennenswerte menschliche Kontrolle auswählen und angreifen, anzunehmen. „Die Regierungen, die sich in Genf getroffen haben, haben einen wichtigen Schritt gemacht, um die Entwicklung von Killerrobotern aufzuhalten“, so Steve Goose, für Waffen zuständiger Direktor bei Human Rights Watch und Mitbegründer der Kampagne zum Verbot von Killerrobotern. „Wenn diese Waffen erst einmal existieren, wird es keine Möglichkeit geben, sie noch zu stoppen. Die Zeit, um ein präventives Verbot auszusprechen, ist jetzt.“

(Bildnachweis: Vecna Technologies)

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In der Reinigungsbranche hat das Interesse an Automatisierungslösungen in den letzten Jahren stark zugenommen. Denn mit Reinigungsrobotern kann die Branche besser dem steigenden Kostendruck sowie dem Personalmangel und der üblichen hohen Personalfluktuation begegnen. Außerdem ermöglichen Reinigungsroboter eine praktisch fehlerlose und verbesserte Produktivität für die zunehmend geforderte ergebnisorientierte Reinigung. In 2017 wird Nilfisk, einer der führenden Hersteller von professionellen Reinigungsgeräten, hierfür die Advance Liberty A 50, einen Scheuersaug-Roboter zur autonomen Nassreinigung von Böden auf den Markt bringen.

Neue Perspektive für Reinigungsbranche

Der Reinigungsroboter ist das erste Ergebnis des Horizon-Programms, einem Gemeinschaftsprojekt zwischen dem dänischen Unternehmen Nilfisk und Carnegie Robotics, einem US-amerikanischen Hersteller von modernen Robotiksensoren und Software. Bei dem Horizon-Programm geht es darum, autonome Reinigungslösungen auf den Markt zu bringen und Kunden eine präzise und zuverlässige bedienungsfreie Bodenreinigung zu ermöglichen. „Mit dem Programm bereiten wir den Weg für eine langfristige strategische Entwicklung von autonomen und vernetzten Reinigungslösungen. Dank modernster Technik müssen Produktivität und Gesamtbetriebskosten aus einer ganz neuen Perspektive betrachtet werden“, so Jonas Persson, CEO von Nilfisk.

Mit Militär- und RaumfahrtTechnologie

Der Reinigungsroboter verfügt über ein System von Sensoren, Kameras und Software, mit dem er einen Raum mit nur einer Durchfahrt erfassen kann. Hindernisse selbst in der Größe eines Tennisballs erkennt der ­Roboter und umfährt sie selbstständig. So kann er auch auf belebten Flächen oder während der Öffnungszeiten von zum Beispiel Supermärkten eingesetzt werden. Die Kombination von Sensoren, Kameras und Laser erlaubt es dem Scheuer­saug-Roboter auch nahe an Hindernissen und Wänden zu reinigen. Die Sensorsysteme arbeiten auch bei niedrigem Umgebungslicht, sodass für die Reinigung die zu reinigenden Räume nicht hell erleuchtet werden müssen. Das spart Energiekosten. „Wir haben Militär- und Raumfahrttechnologie eingesetzt, um den Advance Liberty A 50 mit einer State-of-the-Art-Wahrnehmung und einer intelligenten Navigation auszustatten, die eine sichere und verlässliche Bodenreinigung ermöglicht“, so Steve DiAntonio, CEO von Carnegie Robotics. „Gleichzeitig haben wir eine einfach zu benutzende Bedienung entwickelt, die einen flexiblen und effizienten Betrieb erlaubt.“

Denkbar einfache Bedienung

So verfügt der Roboter über nur drei Knöpfe, über die der Reinigungsmodus eingestellt wird: In einem noch unbekannten Gebäude schaltet der Bediener zunächst einmal in den manuellen Modus. Während er auf der Maschine steht, steuert er den Roboter einmal durch den gesamten Raum. Dabei reicht es im Fill-in-Modus, nur die Umrisse der Fläche abzufahren. Der Roboter wird anschließend die gesamte Fläche reinigen und jedes Hindernis, auch nachträglich hinzugekommen, umfahren. Alternativ kann der Bediener auch im sogenannten CopyCat-Modus einen bestimmten Weg abfahren und dem Roboter so zeigen, auf welchem Kurs er den Raum säubern soll. „Der Advance Liberty A 50 ist unsere bisher wichtigste Produktinnovation“, betont Nilfisk-CEO Jonas Perrson. „Er wird Maßstäbe setzen und eine Vorreiterrolle einnehmen, intelligente Ausrüstung in der gewerblichen Reinigung zu etablieren.“

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