Wo Menschen trotz Vorsichtsmaßnahmen und Schutzausrüstungen erheblichen Gesundheitsrisiken ausgesetzt sind, sollen künftig Roboter übernehmen: bei der Sanierung von Deponien, dem Rückbau von Kernkraftwerken, der Säuberung chemisch verseuchter Areale oder bei der Gefahrenbeseitigung nach einem Industrieunfall. Im Kompetenzzentrum »ROBDEKON« arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von Forschungsinstituten und Industrieunternehmen deutschlandweit eng zusammen, um die Robotik- und Autonomietechnologien dafür weiter voranzutreiben und anhand einsatzfähiger Prototypen zu testen.

Ein intelligenter Roboter, der selbstständig die Erde von gefährlichem Müll befreit, um sie für die Menschen als Lebensraum zu erhalten. Auf der Kinoleinwand heißt er WALL-E und ist der Held des in ferner Zukunft spielenden Science-Fiction-Märchens des gleichnamigen Animationsfilms aus dem Jahre 2008. Seine Kollegen, die im Hier und Heute bald schon in menschenfeindlichen Umgebungen telegesteuert und autonom agieren sollen, heißen zum Beispiel ARMAR-6, GammaBot, SherpaTT oder IOSB.BoB. Ihre Aufgaben sind nicht wie bei WALL-E Fiktion, sondern höchst realer Natur: Die Roboter müssen unterschiedlichste Dekontaminationsaufgaben zuverlässig und selbsttätig ausführen, damit Menschen der Gefahrenzone fernbleiben können.

Der humanoide Assistenzroboter ARMAR-6 kann selbständig Aufgaben im Kontext der Wartung industrieller Anlagen übernehmen. Bild: Fraunhofer IOSB

Autonome Helfer für vielfältigste Aufgaben

Wegen der Verschiedenartigkeit der Dekontaminationsaufgaben entwickeln die Forschungspartner des Kompetenzzentrums »ROBDEKON« Lösungen für vier sehr heterogene Einsatzszenarien. »Ein Szenario sieht beispielsweise vor, dass der Roboter selbstständig kontaminierte Erdschichten abträgt«, erklärt Dr. Janko Petereit vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB, das die Koordination des Forschungsnetzwerks übernommen hat. Wer bei der Bezeichnung »Roboter« allerdings an menschenähnliche Maschinenwesen oder eine Apparatur mit Roboterarmen wie in der Produktion denkt, liegt falsch. Der dafür vorgesehene Roboter sieht aus wie ein ganz normaler Bagger. Der Grund dafür ist ebenso einfach wie unspektakulär: Die Baumaschinen, die sich auf den Baustellen jeden Tag millionenfach bewähren, sind auch in menschenfeindlicher Umgebung bestens auf Grabungsarbeiten vorbereitet. Trotzdem gibt es natürlich erhebliche Unterschiede zu einem herkömmlichen Bagger. Denn in die Maschine ist nun ein Computersystem integriert, das mit der klassischen Steuerung und Mechanik verknüpft ist. Hierdurch entsteht ein Robotersystem, das dank einer Vielzahl an Sensoren in der Lage ist, seine Umgebung wahrzunehmen und sich darin zu orientieren. Eine Software nutzt diese Informationen, um die Bewegungen des Baggers zu planen und schließlich die Steuerbefehle für die Aktorik zu berechnen.

Der am KIT entwickelte Roboter misst verstrahlte Oberflächen und reinigt sie, sodass sie abgebaut werden können. Bild: Fraunhofer IOSB

Situationsangepasste Strategien

»Mit Hilfe von intelligenter Software und künstlicher Intelligenz wollen wir erreichen, dass die Robotermaschine im Einsatz weitgehend autonom agieren kann«, sagt Petereit. Ein Fernziel ist sogar, dass die Robotersysteme eigenständig situationsangepasste Strategien für ihren bestmöglichen Einsatz entwickeln. Allerdings ist dieser Plan noch mit zahlreichen Hürden verknüpft, zumal es bislang kaum Erfahrungen auf dem Terrain autonom agierender Baumaschinen gibt. »Natürlich kennen wir Transportsysteme, die selbstständig durch Lager- und Montagehallen navigieren. Im Unterschied dazu aber sind bei den Einsätzen in menschenfeindlichen Umgebungen Fahrstrecken, Hindernisse und die Gegebenheiten am Einsatzort zu Beginn oft völlig unbekannt«, erklärt Petereit. »Zudem sollten die Einsatzkräfte immer wieder mit plötzlichen Änderungen der Situation vor Ort rechnen. Deshalb müssen die Roboter ihre Umgebung kontinuierlich und exakt erfassen. Nur dann können sie ihr Verhalten anpassen und angemessen reagieren«.

Der hybride Schreit-Fahrrover SherpaTT wurde extra für schwierige Einsatzgebiete konzipiert und im Kompetenzzentrum weiterentwickelt. Bild: Fraunhofer IOSB

Neben dem autonom agierenden Bagger entwickeln die Forschungspartner für ein zweites Szenario ein Roboterteam, das insbesondere für den Rückbau von Kernkraftwerken vorgesehen ist. Ein Robotersystem vermisst hierzu eigenständig zu dekontaminierende Räume und leitet aus den aufgezeichneten Daten eine Strategie für das Abfräsen der Betonwände ab. Ein weiteres Robotersystem, das mit einem Fräskopf ausgestattet ist, führt die Dekontamination schließlich autonom durch. Für ein drittes Szenario arbeiten die Forscherinnen und Forscher an einem Robotersystem, das weniger durch Kraft als durch Feinfühligkeit überzeugt: Es soll zukünftig Anlagenteile wie beispielsweise Rohre zerlegen und reinigen. Im Mittelpunkt des vierten Realisierungsprojekts steht ein Roboter, der sowohl fahren als auch auf spinnenähnlichen Beinen schreiten kann. So wird es möglich, dass er Deponien erkundet, um Proben aufzunehmen und entdeckte Altlasten zu kartieren.

Der Bagger »IOSB.BoB« kann autonom - ohne Bediener - kontaminierte Bodenschichten abtragen. Bild: Fraunhofer IOSB

Gebündelte Kompetenz in sieben Forschungslaboren

Zentrale Anlaufstelle für die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit zwölf Millionen Euro geförderte Forschungskooperation ist das Koordinationsbüro am Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB. Seit Ende Juni steht dem Projektkonsortium zudem die auf dem Institutsgelände in Karlsruhe neu errichtete ROBDEKON-Halle zur Verfügung. »Das flexibel nutzbare, großräumige Labor ermöglicht unseren Partnern und uns insbesondere die Entwicklung und die Erprobung von Robotersystemen in Form von großem, schwerem Gerät inklusive den dazugehörenden Einrichtungen wie den Teleoperator-Leitständen«, urteilt Janko Petereit vom Fraunhofer IOSB. Darüber hinaus nutzt das Kompetenzzentrum weitere sechs »Living Labs«, die bei den Forschungspartnern eingerichtet sind. Neben dem Fraunhofer IOSB gehören dem Konsortium die Forschungsinstitutionen Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), FZI Forschungszentrum Informatik sowie mehrere Industriepartner an. »Unsere Wissenschaftler und die Experten aus der Industrie arbeiten über alle sieben Labore hinweg zusammen. So können wir eine einzigartige Bündelung von Kompetenz und Erfahrung in den Bereichen Robotik, Altlastensanierung und Rückbau kerntechnischer Anlagen nutzen«, erklärt Petereit. Um eine frühzeitige Einbindung der späteren Nutzer der Systeme zu gewährleisten, steht das Kompetenznetzwerk auch für externe Anfragen und Projekte zur Verfügung. Außerdem finden regelmäßige Partizipationsveranstaltungen zum Wissenstransfer zwischen den Forschungspartnern und Experten anderer Forschungseinrichtungen sowie von Industrieunternehmen statt.

(stw)

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