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Trends in der IT

Mobile Roboter – (Halb-) Autonome Systeme im Überblick

Selbstfahrende Fahrzeuge, Militärroboter, vollautomatische Staubsauger
und Rasenmäher – autonome Roboter erhalten in den Medien immer
mehr Aufmerksamkeit und sorgen für Diskussionen. Heutige Roboter
stecken noch in den Kinderschuhen und werden in der Öffentlichkeit als
Spielzeuge der Entwickler angesehen. Man unterscheidet halbautonome
und autonome Systeme. Halbautonome Maschinen werden heute schon
als Assis­tenzsysteme vielfältig eingesetzt und unterstützen Nutzer bei
ihren Tätig­keiten. Autonome Systeme hingegen können Aufgaben selbst-
ständig erledigen.
Dieser Beitrag zeigt Anwendungsmöglichkeiten mobiler Roboter auf.

 

Einleitung

Entwicklungen und Innovationen im Bereich der Robotik ermöglichen den Einsatz entspre-
chende Robotersysteme in verschiedenen gesellschaftlichen Bereichen und bringen die Tech-
nik aus den Laboren in das öffentliche Leben. Gerade die spektakulären Ankündigungen
von Rüstungsunternehmen mit vorheriger Geheimhaltung der Entwicklungen gestalten die-
ses Gebiet zu einem interessanten Fachthema. Insbesondere in der Robotik-Branche werden
Produktankündigungen und Werbung intensiv eingesetzt, um Kunden die Funktionsvielfalt

– teils übertrieben – darzustellen und die Technologie auch für den Endkonsumenten inter-
essant zu machen. Obwohl die Außenwirkung komplexer Robotik durch Romane und Filme
in den Medien oft als Science-Fiction dargestellt wird, zeigen die heutigen Produkte und Ent-
wicklungen jedoch, dass diese Szenarien teilweise bereits realisiert sind.
In den letzten Jahren haben Roboter einen immer höheren Stellenwert in Industrie
und Militär eingenommen (VDI/VDE/IT, 2012). Wiederkehrende Arbeiten werden in vielen
Bereichen schon seit Jahren von halbautonomen Systemen übernommen und sparen da-
durch nicht nur Arbeitskräfte, sondern werden immer wieder mit ihrer Verlässlichkeit und
Genauigkeit beworben (Herzberg, Lingemann, & Nüchter, 2012). Mittlerweile überneh-
men diese Systeme zunehmend komplexere Aufgaben und treffen eigene Entscheidungen.
(Süddeutsche, 2010) Die Kernfrage ist jedoch: Welche Potenziale und Risiken stecken in
dieser Entwicklung für die Gesellschaft?
Dieser Beitrag zielt darauf ab, einen Überblick über aktuelle Entwicklungen im Bereich
mobiler Roboter zu geben, praktische Anwendungsbeispiele vorzustellen und über Aus-
wirkungen für die Zukunft zu informieren.
Nach der Darstellung begrifflicher Grundlagen wird ein Überblick über aktuelle For-
schungen und Entwicklungen gegeben. Anschließend erfolgen Praxisbeispiele aus Haus-
halt, Industrie, Militär. Den Schluss bildet eine Bewertung von Risiken und Potenzialen.

 

Grundlagen mobiler Roboter

Bei Robotern unterscheidet man autonome und halbautonome Systeme. Zu den halbauto-
nomen Systemen zählen beispielsweise Industrieroboter der Automobilindustrie. Hier wird
über einen Computer eine Abfolge an Bewegungen und Tätigkeiten konfiguriert, die an-
schließend automatisch ausgeführt wird. Da vor dem Betrieb eine manuelle Konfiguration
notwendig ist und die Maschinen bei der Ausführung beaufsichtigt werden müssen, spricht
man von halbautonomen Systemen.
Ist eine Automatisierung weitgehend vollständig möglich und kein manueller Eingriff
vonnöten, so handelt es sich um autonome Systeme. Ein autonomes System kann sich aus
verschiedenen einzelnen halbautonomen Systemen ergeben. Grundlegend für ein solches
System ist eine Software, die die Informationen der Sensoren und der Assistenzsysteme
auswertet, um beispielsweise eine Umgebungserkennung durchzuführen.
Der Begriff der Autonomie lässt sich nicht vollständig abgrenzen, da ein Staubsauger-
roboter zwar selbstständig eine Wohnung reinigt, allerdings regelmäßig zu seiner Basisstation
zwecks Akku-Ladung zurückkehren muss. Per Definition ist ein autonomer mobiler Roboter
eine „Maschine, die sich in einer natürlichen Umgebung aus eigener Kraft und ohne Hilfestel-
lung von außen bewegen und dabei ein ihr gestelltes Ziel erreichen kann. [...] Dabei erkennt
sie die Umwelt, sofern dies notwendig ist, über eigene Sensoren“ (Hoppen, 1992) Vollständig
autonom wäre der Staubsaugerroboter, wenn er unabhängig von einer Ladestation wäre und
eine beliebige Steckdose in der Wohnung finden, ansteuern und benutzen könnte.
Bei einem autonomen Fahrzeug wie dem Google driverless car ist ein Navigations-
system zur Positionsbestimmung ein wichtiger Bestandteil, um ein Ziel zu erreichen. Mit
einem zusätzlichen Umgebungserkennungssystem kann das Fahrzeug Hindernissen aus-
weichen, bremsen und die Geschwindigkeit dem Verkehr anpassen. Telemetriedaten wie
Benzinstand oder Motortemperatur werden ausgewertet, um den Zustand des Fahrzeugs
zu ermitteln und z. B. automatisch zur Tankstelle zu fahren.

Bei Flugrobotern, sog. Drohnen, handelt es sich um Flugobjekte, die einen eigenen Mik-
rocontroller an Bord haben, um z. B. bei extremen Flugmanövern eine höhere Stabilität
zu gewährleisten oder bei Seitenwind die Steuerung zu vereinfachen. Diese etablieren
sich derzeit sowohl bei Militär, Behörden als auch in der Industrie und bei Privatpersonen.
Der Unterschied liegt im Detail: Während bei Privatpersonen für Luftaufnahmen oder für
den Kunstflug halbautonome Drohnen eingesetzt werden, müssen Drohnen beim Militär
auch ohne Kommunikation zur Basis einschätzen können, ob der Treibstoff für den Rück-
flug ausreicht, und eine entsprechende autonome Entscheidung treffen.

 

Forschung und Entwicklungen

In der Forschung werden neue Materialien auf Basis von Nano-Technologien hergestellt,
die es z. B. dem Stickybot (Golem, 2010) erlaubt, Wände zu erklimmen. Ein Anwendungs-
szenario wäre z. B., einen Roboter vollautomatisch zum Reinigen von schwer zugänglichen
Fenstern einzusetzen.
Maschinen, die vom Mensch bedient werden, müssen ihn in der Regel auch transpor-
tieren; daher unterliegt ein Passagierflugzeug anderen physikalischen Rahmenbedingun-
gen als ein Modellflugzeug. Als Beispiel sei hier der fliegende Würfel von Festo genannt,
der sich durch Inversionskinematik fortbewegt (Golem, 2012). Inversionskinematik ist die
Bewegungslehre, bei dem ein Teil des Volumens reduziert und von innen nach außen um-
gestülpt wird (Schatz, 2008). Ein auf Inversionskinematik basierendes Flugobjekt, das einen
Menschen transportieren kann, müsste deutlich größer sein als das unbemannte Testob-
jekt. Die Entwicklung kleiner, halbautonomer Maschinen bietet die Möglichkeit, mittels
Prototypen bisher ungenutzte Technologien zu erforschen.

 

Anwendungen in der Praxis

insatzgebiete für Roboter finden sich neben der Forschung in Industrie, Militär und Alltag.
In der Industrie sind fahrerlose Transportfahrzeuge mit oder ohne Greifarme weit verbreitet,
die der automatisierten Zustellung von Gütern in Lagerhäusern dienen. Mit Positionssen-
soren und Navigationssoftware ermitteln sie den eigenen Standort; die Steuerung erfolgt
durch eine Kommunikationszentrale, die entsprechende Aufträge z. B. bei der Kommissio-
nierung von Gütern weiterleitet.
Stationäre Industrieroboter ohne mobile Serviceeinheit dienen in der Automobilindust-
rie oftmals zum Zusammenbau von Einzelteilen zu einem Bauteil, zur Lackierung oder zum
Bearbeiten von Werkstücken. Das Militär setzt Lenkraketen als halbautonome Systeme ein;
diese werden zu Beginn einmalig auf ein Ziel programmiert. Nach dem Start kann die Rakete
über Satellitensysteme beobachtet und bei Bedarf über eine Fernsteuerung korrigiert werden
(Heise, 2011). Des Weiteren werden halbautonome Systeme vermehrt für die Observierung
von Gebieten oder Verdächtigen, zum Entschärfen von Kampfmitteln oder zur Erkundung
potenziell gefährlicher Gebiete eingesetzt. Das US-Militär nutzt derzeit in Afghanistan und
im Irak sogar bereits bewaffnete Drohnen (Spiegel, 2012), um Terroristen zu bekämpfen.
Außerdem werden Roboter zur Kampfmittelräumung eingesetzt (Spiegel, 2007). Bei militä-
rischen Robotern gibt es den European Land-Robot (M-ELROB) Wettbewerb, bei der unter-
schiedliche autonome Roboter gegeneinander antreten, um in den Bereichen Erkundung,
Aufklärung und Transport gegeneinander zu konkurrieren (Elrob, 2012).

Im privaten Sektor ermöglicht ein von BMW entwickeltes System dem Besitzer eines Autos
das vollautomatisierte Parken in Parklücken. Dies soll in naher Zukunft sogar das Abstellen
in der Garage übernehmen (Handelsblatt, 2010).

 

Risiken und Potenziale

Natürlich bieten die betrachteten Technologien viele Möglichkeiten, das Leben in unserer
Gesellschaft zu vereinfachen; jedoch bestehen weiterhin auch ernstzunehmende Risiken
beim Einsatz solcher Systeme. Für autonome Fahrzeuge bedarf es Gesetzesänderungen,
die die Verantwortlichkeit bei einem Unfall klären: Ist es der Hersteller des Fahrzeugs,
der Entwickler der Navigationssoftware oder die Person, die es vielleicht unterlassen hat,
rechtzeitig in die Fahrt einzugreifen und einen Bremsknopf zu drücken (Süddeutsche,
2010)? Durch den voranschreitenden Einsatz von Maschinen und Robotern in der Ferti-
gungsindustrie verlieren Arbeitskräfte ihren Job. Um die vorhandenen Technologien weiter
zu erforschen, wird entsprechend qualifiziertes Personal benötigt. Potenziale zeigten sich
beim Einsatz von Robotern bei der atomaren Katastrophe in Fukushima. Diese ermöglichten

eine erste Einschätzung der Katastrophe, ohne dass sich Menschen der vorhandenen
Strahlenbelastung exzessiv aussetzen mussten (Spiegel, 2011). Auch werden Roboter

in der Raumfahrt für Erkundungsmissionen eingesetzt. Beispielsweise wurden die Marsrover

Spirit und Opportunity für einen halbautonomen Einsatz ausgerüstet; die Steuerung erfolgte

von der Erde. Gegenüber einer bemannten Mission kann hierbei auf einen Rückflug verzichtet

werden; die Entwicklungsbedingungen sind daher einfacher.

 

Fazit

Die Vernetzung halbautonomer Systeme zu autonomen Systemen ist ein stetig wachsen-
der Trend. Obwohl es noch Probleme bei der dauerhaften Energieversorgung oder der
Implementierung einer künstlichen Intelligenz, die auf alle Situationen eingestellt ist,
gibt, schreitet die Forschung voran. Roboter werden zunehmend Bestandteil im mensch-
lichen Alltag werden. Fragen rechtlicher Art wie auch Sicherheitsaspekte sind noch zu
klären. Dann aber können mobile Roboter vielfältig unterstützen, insbesondere auch
eingeschränkte Menschen, die andernfalls auf Betreuer und Dienstleistungen angewie-
sen sind. Roboter könnten in Zukunft Einkäufe erledigen, schwere Lasten tragen oder
Arbeiten bei gefährlichen Umweltbedingungen verrichten. Ein Missbrauch von Robotern
für kriegerische Aspekte ist vorstellbar; hier ist mit entsprechender Rechtsprechung früh-
zeitig entgegenzuwirken.

 

Literaturverzeichnis

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Golem. (2010). golem.de. Abgerufen am 2012. März 31 von Biomimetik - Wenn der Roboter die Fenster hochgeht: http://www.golem.de/1008/77530.html


Golem. (2012). golem.de. Abgerufen am 13. Mai 2012 von Smart Inversion - Würfel fliegt, indem er sich umstülpt: http://www.golem.de/news/smart-inversion-wuerfel-fliegt-indem-er-sich-umstuelpt-1204-91391.html


Handelsblatt. (2010). handelsblatt.com. Abgerufen am 14. Juni 2012 von BMW-Assistenzsystem: Einparken ohne Beule: http://www.handelsblatt.com/auto/nachrichten/bmw-assistenzsystem-einparken-ohne-beule/3571632.html


Heise. (2011). heise.de. Abgerufen am 15. Mai 2012 von Marschflugkörper gegen GPS-Jammer: http://www.heise.de/tr/artikel/Marschflugkoerper-gegen-GPS-Jammer-1212884.html


Herzberg, J., Lingemann, K., & Nüchter, A. (2012). Mobile Roboter - Eine Einführung aus Sicht der Informatik. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg.


Hoppen, P. (1992). Autonome mobile Roboter. Echtzeitnavigation in bekannter und unbekannter Umgebung. Mannheim / Leip­zig / Wien / Zürich: B. I. Wissenschaftsverlag.


Schatz, P. (2008). Die Welt ist umstülpbar: Rhythmusforschung und Technik. Stuttgart: Verlag Freies Geistesleben.


Spiegel. (2007). spiegel.de. Abgerufen am 13. Mai 2012 von Blechkamerad - Roboter soll im Irak Bomben entschärfen: http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,475193,00.html


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Süddeutsche. (2010). sueddeutsche.de. Abgerufen am 15. Mai 2012 von Roboter - Schuld und Maschine: http://www.sueddeutsche.de/wissen/roboter-schuld-und-maschine-1.7152


VDI/VDE/IT. (2012). vdivde-it.de. Abgerufen am 14. Juni 2012 von Roboter und Menschen – wie geht es weiter?: http://www.vdivde-it.de/ips/januar-2012/roboter-und-menschen-2013-wie-geht-es-weiter

 

Autoren

Reiner Kempkes

Reiner KempkesEr hat eine Ausbildung zum Fachinformatiker abgeschlossen, arbeitet bei
der NIDAG GmbH und studiert berufsintegriert den Teilzeitstudiengang
awis an der FH Mainz.


Martin Schöpper

Martin Schöpper1986 geboren, arbei­tet als Engineer bei der BASF IT Services im Design-Center.

Neben der Arbeit studiert er berufsintegrierend Wirt­­­schaftsinformatik an
der FH Mainz.


Dennis Still

Dennis Still1985 geboren, arbeitet als Facheinkäufer im IT-Einkauf der Fraport AG.
Parallel zum Beruf studiert er an der FH Mainz Wirtschaftsinformatik (awis).