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Fle­xi­ble Mon­ta­ge in Welt­raum und Indus­trie: Trans­fer­pro­jekt stärkt Robo­ter­au­to­no­mie und Team­ar­beit mit dem Menschen

Auto­no­me mobi­le Robo­ter, die sicher und intui­tiv mit dem Men­schen zusam­men­ar­bei­ten, sind nicht nur ein wich­ti­ger Bau­stein der Indus­trie 4.0. In zukünf­ti­gen Raum­fahrt­mis­sio­nen sol­len sie den Infra­struk­tur­auf­bau auf frem­den Pla­ne­ten unter­stüt­zen. Im nun abge­schlos­se­nen Trans­fer­pro­jekt Trans­FIT ent­wi­ckel­ten das Deut­sche For­schungs­zen­trum für Künst­li­che Intel­li­genz (DFKI), die Uni­ver­si­tät Bre­men und die Sie­mens AG die zur auto­no­men und kol­la­bo­ra­ti­ven Aus­füh­rung kom­ple­xer Mon­ta­ge­ar­bei­ten not­wen­di­gen robo­ti­schen Fähig­kei­ten. Das Pro­jekt wur­de über das Deut­sche Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt e.V. (DLR) vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz (BMWK) gefördert. 

Zum Schutz vor wid­ri­gen Umge­bungs­be­din­gun­gen und für den län­ger­fris­ti­gen Auf­ent­halt von Astro­nau­tin­nen und Astro­nau­ten auf frem­den Him­mels­kör­pern ist der Auf­bau von Infra­struk­tur uner­läss­lich. Prä­de­sti­niert für die­se anspruchs­vol­le Arbeit sind auto­no­me mobi­le Robo­ter, die allein und im robo­ti­schen Team für den Men­schen poten­zi­ell gefähr­li­che oder kör­per­lich anstren­gen­de Arbei­ten über­neh­men kön­nen. Aller­dings sto­ßen die Sys­te­me dort an ihre Gren­zen, wo mensch­li­cher Ver­stand, Geschick­lich­keit und Krea­ti­vi­tät gefragt sind. Zum Abschluss des im Juli 2017 gestar­te­ten Pro­jekts Trans­FIT prä­sen­tier­ten die Koope­ra­ti­ons­part­ner vom Robo­tics Inno­va­ti­on Cen­ter des DFKI, der Arbeits­grup­pe Robo­tik der Uni­ver­si­tät Bre­men und der Sie­mens AG inno­va­ti­ve Tech­no­lo­gien, die durch Metho­den der Künst­li­chen Intel­li­genz (KI) nicht nur die auto­no­men Fähig­kei­ten der Robo­ter stär­ken, son­dern auch die situa­ti­ons­an­ge­mes­se­ne und intui­ti­ve Unter­stüt­zung durch den Men­schen ermög­li­chen. Zudem stell­ten die Part­ner das hohe Trans­fer­po­ten­zi­al der erar­bei­te­ten Lösun­gen durch den Auf­bau einer fle­xi­blen Mon­ta­ge­zel­le für die indus­tri­el­le Fer­ti­gung unter Beweis. Dane­ben floss ein eigens für die auto­no­me Pro­duk­ti­on ent­wi­ckel­tes Soft­ware­frame­work, das Abläu­fe in Abhän­gig­keit von Sys­tem­fä­hig­kei­ten plant, in das Welt­raum­sze­na­rio ein.

Prof. Dr. Dr. h.c. Frank Kirch­ner, Lei­ter des DFKI Robo­tics Inno­va­ti­on Cen­ter: „Zukünf­ti­ge Raum­fahrt­mis­sio­nen wer­den in zuneh­men­dem Maße auf Metho­den der Künst­li­chen Intel­li­genz und die Kom­bi­na­ti­on von mensch­li­chen und robo­ti­schen Fähig­kei­ten ange­wie­sen sein. Mit Abschluss des Trans­FIT-Pro­jekts, das einen bedeu­ten­den Teil der DFKI Space-Road­map dar­stellt, ist es uns gelun­gen, wich­ti­ge Grund­la­gen für den koope­ra­ti­ven Infra­struk­tur­auf­bau im Welt­raum zu legen und die Über­trag­bar­keit der ent­wi­ckel­ten Tech­no­lo­gien in den Indus­trie­kon­text zu zei­gen. Bei­de Bran­chen wer­den per­spek­ti­visch in hohem Maße vom Ein­satz auto­no­mer Robo­ter, die im Team mit dem Men­schen arbei­ten kön­nen, profitieren.“

Fle­xi­ble Mensch-Robo­ter-Kol­la­bo­ra­ti­on für den Infra­struk­tur­auf­bau im Weltall

Beim extra­ter­res­tri­schen Auf­bau von sta­tio­nä­ren Lagern, Unter­stän­den oder Anla­gen zur Res­sour­cen­ge­win­nung müs­sen Robo­ter Auf­ga­ben unter­schied­li­cher Kom­ple­xi­tät bewäl­ti­gen. Dies erfor­dert auch eine Zusam­men­ar­beit mit den Astro­nau­tin­nen und Astro­nau­ten. Im Zen­trum von Trans­FIT stand daher die Umset­zung eines Koope­ra­ti­ons­sze­na­ri­os, bei dem ein Mensch und ein huma­no­ider Robo­ter gemein­sam eine Mon­ta­geleis­tung erbrin­gen. Unter­stützt wer­den sie von einer Per­son, die den Robo­ter aus grö­ße­rer Distanz, bei­spiels­wei­se von der Sta­ti­on in der Umlauf­bahn oder vom Lan­der aus, mit­hil­fe eines Exo­ske­letts steu­ern kann. Die Koope­ra­ti­ons­part­ner inter­agie­ren dabei unter­schied­lich stark nach dem Kon­zept der „Sli­ding Auto­no­mie”, von kom­plet­ter Auto­no­mie über Auto­no­mie mit „Ope­ra­tor in the Loop” und Tele­ope­ra­ti­on mit teil­au­to­no­men Funk­tio­nen bis hin zu rei­ner Tele­ope­ra­ti­on. Um die­sen Wech­sel zwi­schen auto­no­mer Arbeit, Koope­ra­ti­on und Tele­ope­ra­ti­on zu rea­li­sie­ren, ent­wi­ckel­ten die Pro­jekt­part­ner eine ein­fach bedien­ba­re Steue­rungs­soft­ware, die eine schnel­le Anpass­bar­keit des Robo­ter­ver­hal­tens vor Ort und wäh­rend der Mis­si­on erlaubt. Auf die­se Wei­se kön­nen auch unvor­her­ge­se­he­ne Mon­ta­geleis­tun­gen wie nicht ein­ge­plan­te Repa­ra­tu­ren statt auto­nom vom Robo­ter fle­xi­bel in Zusam­men­ar­beit mit der Astro­nau­tin oder dem Astro­nau­ten durch­ge­führt werden.

Lern­fä­hi­ger Assis­tenz­ro­bo­ter für kom­ple­xe Mon­ta­ge­ar­bei­ten und Teleoperation

Als robo­ti­sche Test­platt­form bau­ten die DFKI-For­schen­den den Huma­no­iden RH5 Manus auf, ein für den Ein­satz in einer mensch­li­chen Umge­bung ent­wi­ckel­ter Assis­tenz­ro­bo­ter, der sich durch ein hybri­des seri­ell-par­al­le­les Design aus­zeich­net. Dank sei­nes inno­va­ti­ven adap­ti­ven Greif­sys­tems, das über tak­ti­le Sen­so­ren, Nah­fel­d­er­ken­nung und einen loka­len Mikro­con­trol­ler für bio­lo­gisch inspi­rier­te Greif­re­fle­xe ver­fügt, ist der Robo­ter in der Lage, kom­ple­xe Greif­be­we­gun­gen aus­zu­füh­ren. Auf Maschi­nel­lem Ler­nen basie­ren­de Ver­fah­ren zur Umge­bungs­wahr­neh­mung wie Objekt­er­ken­nung und Greif­po­sen­be­stim­mung ermög­li­chen ihm nicht nur das Grei­fen und Hal­ten von Kom­po­nen­ten, son­dern auch die direk­te Koope­ra­ti­on mit der Astro­nau­tin oder dem Astro­nau­ten. Zudem lässt sich RH5 mit­hil­fe eines am Robo­tics Inno­va­ti­on Cen­ter ent­wi­ckel­ten und für die Tele­ope­ra­ti­on opti­mier­ten akti­ven Exo­ske­letts fern­steu­ern. Ziel der Zusam­men­ar­beit ist aber nicht nur die Auf­ga­ben­tei­lung, son­dern auch, dass der Robo­ter aus der Inter­ak­ti­on mit dem Men­schen lernt, um immer auto­no­mer agie­ren und sich an ver­än­der­te Anfor­de­run­gen anpas­sen zu kön­nen. So muss bei extra­ter­res­tri­schen Mis­sio­nen bedacht wer­den, dass eine Repa­ra­tur des Sys­tems nicht oder nicht jeder­zeit erfol­gen kann. Ist der Robo­ter bei­spiel­wei­se in sei­ner Bewe­gung ein­ge­schränkt, weil eines sei­ner Gelen­ke nicht mehr rich­tig funk­tio­niert, kann er dank der in Trans­FIT ent­wi­ckel­ten Tech­no­lo­gien sein Ver­hal­ten so anpas­sen, dass die­se Ein­schrän­kung berück­sich­tigt wird.

Ver­bes­ser­tes Team­work dank intui­ti­ver Interaktionsmöglichkeiten

Für eine mög­lichst intui­ti­ve Zusam­men­ar­beit von Mensch und Robo­ter sind die Inter­ak­ti­ons­part­ner in der Lage, über Spra­che mit­tels vor­de­fi­nier­ter Kom­man­dos zu kom­mu­ni­zie­ren. Zusätz­lich kann die Steue­rung des Robo­ters durch ein­fa­che Ges­ten erfol­gen, die mit­hil­fe eines von der Astro­nau­tin oder vom Astrau­ten getra­ge­nen Sen­sor­an­zugs erkannt wer­den. Dane­ben nut­zen die Pro­jekt­part­ner das Elek­tro­en­ze­pha­logramm (EEG) des Men­schen zur Ver­bes­se­rung der Inter­ak­ti­on: Zum einen ent­wi­ckel­ten sie Metho­den, um aus den Mess­da­ten die kogni­ti­ve Aus­las­tung der inter­agie­ren­den Per­son zu ermit­teln, die für eine bedarfs­ge­rech­te Unter­stüt­zung genutzt wer­den kann. Zum ande­ren lässt sich im Fal­le einer feh­ler­haf­ten Akti­on des Robo­ters aus dem EEG ein nega­ti­ves Feed­back­si­gnal gewin­nen, das soge­nann­te Error Poten­ti­al. Dies ermög­licht es dem Sys­tem, sein Ver­hal­ten ste­tig zu ver­bes­sern und ent­las­tet den Men­schen, der die Rück­mel­dung nicht bewusst an den Robo­ter geben muss.

Trans­fer der Raum­fahrt­tech­no­lo­gien in den Kon­text Indus­trie 4.0

Neben der Umset­zung des extra­ter­res­tri­schen Koope­ra­ti­ons­sze­na­ri­os ziel­te Trans­FIT auf den Trans­fer der ent­wi­ckel­ten Tech­no­lo­gien in ter­res­tri­sche Anwen­dun­gen, kon­kret in die indus­tri­el­le Fer­ti­gung und Pro­duk­ti­on. Hier füh­ren der zuneh­men­de Vari­an­ten­reich­tum der zu fer­ti­gen­den Pro­duk­te und die immer kür­zer wer­den­den Pro­dukt­le­bens­zy­klen zu immer klei­ne­ren Los­grö­ßen. Ein Umstand, der den Ein­satz klas­si­scher Auto­ma­ti­sie­rungs­pa­ra­dig­men auch in der Mon­ta­ge nahe­zu unmög­lich macht, die wei­test­ge­hend auf manu­el­le Arbeit ange­wie­sen ist. Vor die­sem Hin­ter­grund ent­wi­ckel­ten die Pro­jekt­part­ner unter Feder­füh­rung der Sie­mens AG eine hoch­fle­xi­ble und koope­ra­ti­ve Mon­ta­ge­zel­le zur Fer­ti­gung kom­ple­xer Bau­grup­pen. Die Zel­le, die über zwei robo­ti­sche Arme ver­fügt, ist in der Lage, abs­trak­te Auf­ga­ben­spe­zi­fi­ka­tio­nen auto­nom und in Zusam­men­ar­beit mit einer mensch­li­chen Arbeits­kraft umzu­set­zen. Dafür wur­den die Objekt­er­ken­nung, die Greif­po­sen­be­stim­mung und die intui­ti­ven Tech­no­lo­gien zur Mensch-Maschi­ne-Inter­ak­ti­on aus dem Welt­raum­sze­na­rio in den Indus­trie­kon­text über­tra­gen. Zudem ermög­licht ein spe­zi­ell für die auto­no­me Pro­duk­ti­on ent­wi­ckel­tes Skill-basier­tes Frame­work die hier­ar­chi­sche Model­lie­rung und Orches­trie­rung von Abläu­fen im Fer­ti­gungs­pro­zess auf Basis seman­ti­scher Pro­dukt­be­schrei­bun­gen und benö­tig­ter Sys­tem­fä­hig­kei­ten. Die­ses Frame­work wur­de wie­der­um erfolg­reich auf die Mensch-Robo­ter-Kol­la­bo­ra­ti­on im Welt­raum trans­fe­riert, um die für eine Auf­ga­be erfor­der­li­chen Aktio­nen den Akteu­ren zuzu­wei­sen und die Akti­ons­rei­hen­fol­ge zu planen.

Trans­FIT wur­de vom 1. Juli 2017 bis zum 31. Dezem­ber 2021 über das Deut­sche Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt e.V. (DLR) vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz (BMWK) mit rund 7,9 Mil­lio­nen Euro gefördert.

Bei­trags­bild: Der in Trans­FIT ent­wi­ckel­te huma­no­ide Robo­ter RH5 Manus ist dank eines inno­va­ti­ven adap­ti­ven Greif­sys­tems in der Lage, kom­ple­xe Greif­be­we­gun­gen aus­zu­füh­ren. DFKI, Tho­mas Frank

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Quelle @h_da
✍️@HolgerMauelsha1

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