Was macht ein Industrieroboter den ganzen Tag? Monotone Fließbandarbeit, bis der Ingenieur kommt und etwas Neues programmiert. Ein Arbeitsschritt den lieben langen Tag, einen Teil von A nach B und das 24 Stunden. Dann Neuprogrammieren und Teil B nach C. Klingt stupid und monoton, und das ist es auch. Deshalb sollten es Roboter machen. Doch was, wenn die Industrieroboter klüger würden? Wenn es nicht nur einen definierten Ablauf gibt, sondern mehrere Wege zum gewünschten Ziel führen und der einstmals sinnfreie Job auf einmal mehr Flexibilität bekäme?

Damit nicht nur der Roboter etwas davon hat, sondern auch der Mensch, haben heimische Forscher nun ein Projekt gestartet. Dessen Ziel: Industrieroboter aus ihrer Trägheit zu reißen, schneller auf neue Prozesse reagieren zu können, einen Roboter für mehrere Arbeitsschritte in möglichst kurzer Zeit einsatzbereit zu machen und die Robotik auch bei kleineren Unternehmen und Kleinstserien in der automatisierten Fertigung Einzug halten zu lassen.

Intelligenz ohne Künstliches

Eine neue Art von künstlicher Intelligenz zu schaffen war jedoch nicht der Plan des Kooperationsprojekts vom Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik der Umit, Private Universität für Gesundheitswissenschaften, Medizinische Informatik und Technik, und der Institute Bauingenieurwissenschaften und Informatik an der Universität Innsbruck, sondern dem Fließbandroboter eine neue Art "Selbstverständnis" zu geben. "Die Roboter sollen erkennen, wer sie sind, daher wie sie aussehen, funktionieren, wie groß sie sind und Ähnliches mehr. Dann muss man dem Roboter erklären, wie und was er zu tun hat", so Michael Hofbaur von der Umit. Unter dem Projekttitel "KineControl" fanden sich die beiden Universitäten zu einer Kooperation über die Forschungseinrichtungen hinweg zusammen und arbeiten nun am Übergang von der Grundlagen- zur anwendungsorientierten Forschung.

"Es hat sich sehr gut ergeben, dass sich hier zwei Sichtweisen und Ansätze gefunden haben, um ein gemeinsames Projekt auf die Beine zu stellen", so Hofbaur. Während vonseiten der Umit die mobile Robotik an sich sowie die Verbesserung bekannter Arbeitsabläufe in der Automatisierung ein zentrales Thema war, beschäftigte sich Manfred Husty, von der Arbeitsgruppe Geometrie und CAD des Instituts für Grundlagen der Bauingenieurwissenschaften an der Leopold-Franzens-Universität Innsbruck mit der mathematischen Lösung des Problems.

Industrieroboter sind längst Standard in vielen Fertigungsbetrieben. Dennoch gibt es ausreichend Verbesserungspotenzial im Feld der Automatisierung, besonders hinsichtlich Recheneffizienz und Rekonfigurierbarkeit. Eine Änderung in einem Arbeitsprozess ist mit großen Kosten - Ingenieure müssen die Roboter neuprogrammieren und entsprechend umrüsten - verbunden. Ein Knackpunkt liegt im komplexen Zusammenhang zwischen der gewünschten Bewegung des Roboters und der dafür notwendigen Drehung der einzelnen Robotergelenkachsen. Dieses Problem wird als inverse Kinematik oder auch Rückwärtskinematik bezeichnet.

Im mathematischen Sinn handelt es sich dabei um ein nichtlineares Problem, dessen Lösung nicht eindeutig ist. "Bisher war es so, dass ein Ingenieur einem Roboter einen ganz bestimmten Lösungsweg einprogrammiert hat. Doch gibt es bei einem Roboter mit sechs Gelenken eine Vielzahl von möglichen Lösungswegen und dazu noch eine Menge an Irrwegen. Entscheidend ist es daher, ein System zu schaffen, das mehr Flexibilität bringt und dem Roboter mehr "Bewegungsfreiheit" erlaubt", so Hofbaur. Anders ausgedrückt: Ein Roboter kann seinen Arm unterschiedlich drehen und damit verschiedene Greifbewegungen durchführen. Entscheidend ist, dass der Roboter selbst seine Bewegungsabläufe kennt und die dahinterliegenden mathematischen Algorithmen die effizienteste und flexibelste Lösung finden und den Roboter entsprechend steuern.

Der Algorithmus entscheidet

Der in Innsbruck entwickelte Algorithmus, welcher auf beliebige Roboter mit sechs Gelenken angewandt werden kann, soll nun in Zusammenarbeit mit dem Umit auf seine Praxistauglichkeit überprüft und für den produktiven Einsatz detaillierter erforscht werden. Einerseits bietet die allgemeine Formulierung des Algorithmus die Möglichkeit, eine Programmierung für unterschiedliche Robotertypen anwenden zu können. Zum anderen birgt der Umstand, dass alle möglichen Lösungen parallel berechnet werden können, großes Verbesserungspotenzial in puncto Handhabung und Umprogrammierung.

Der Gegenstand der Untersuchung von "KineControl" - das Land Tirol fördert das Projekt im Weg der Tiroler Zukunftsstiftung im Rahmen des Förderprogramms Translational Research ab Oktober 2010 - sollen daher effiziente, parallele Berechnungsformen für den Lösungansatz in der Praxis sein. Der Erfolg zeige sich bereits in einigen Anwendungen, so die Forscher, aber am Ende könnte das heimische Projekt sogar einen Paradigmenwechsel in der Roboterprogrammierung einläuten.

Flexibler und leistbarer

"KineControl" zeigt deutlich, wie über Instituts- und Universitätsgrenzen hinweg, ein Forschungsansatz zu einem interessanten Produkt für die Wirtschaft wird. Das Ergebnis der Arbeit würde zahlreiche Vorteile bringen: Roboterarchitektur im Baukastensystem, die es ermöglicht, schneller, billiger und flexibler Industrieroboter einzusetzen. Die verbesserten Algorithmen für mehr "Selbsteinschätzung" könnten künftig auch bei Haushalts- oder Pflegerobotern, die flexiblere Bewegungsabläufe und fragilere Arbeiten durchführen, deutliche Fortschritte ermöglichen. (Gregor Kucera/DER STANDARD, Printausgabe, 7./8. 12. 2010)