ARMAR-6 – Kooperativer Roboter in industriellen Umgebungen

Manchmal sind es kleine Handgriffe, die den Alltag in einem Industriebetrieb erschweren. Der am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelte humanoide Roboter ARMAR-6 unterstützt die Beschäftigten und ist dabei nicht mehr auf eine bestimmte Aufgabe festgelegt. Vielmehr schaut er sich wichtige Fähigkeiten und Bewegungen bei seinen menschlichen Kollegen ab – und lernt dabei ständig dazu.

Die große, schwer zugängliche Maschine in der Werkhalle ist defekt, ein Bauteil im Inneren muss ersetzt werden. Und das schnell, sonst steht die Produktion still. Ein Techniker ist bereits im Einsatz, aber ohne ein spezielles Werkzeug geht die Reparatur nicht weiter. Der Mitarbeiter müsste sich jetzt eigentlich wieder aus dem Inneren der defekten Maschine herauswinden, um es zu holen - und riskiert dabei, die empfindliche Elektronik zu beschädigen.

Sein Assistent ARMAR-6 hat die Situation aufmerksam verfolgt, das richtige Werkzeug proaktiv geholt und dem Techniker gereicht. Gestützt hat sich der humanoide Roboter dabei auf seine Erfahrung im Einsatz, gepaart mit seiner Fähigkeit, die richtigen Schlüsse zu ziehen. Der Techniker kann jetzt das Bauteil tauschen und die Produktion geht ohne größere Störungen weiter.

Neue Wege in der Mensch-Roboter-Kooperation

Der humanoide Roboter ARMAR-6

Generell sind Roboter in der Fertigungstechnik längst im Einsatz. Allerdings handelt es sich dabei meist um automatisierte Maschinen, die für spezielle Einzelaufgaben in Produktionsstraßen optimiert und oftmals durch Plexiglas oder Metallkonstruktionen vom Menschen getrennt sind. Selbstständig lernende humanoide Roboter wie ARMAR-6 unterscheiden sich davon deutlich.

Zum einen durch seine menschenähnliche Bauweise, insbesondere aber durch eine erweiterte Zielsetzung. Ausgestattet mit Künstlicher Intelligenz kann der Roboter selbstständig Wartungsaufgaben übernehmen und erkennen, wenn seine menschlichen Kollegen Hilfe benötigen. Im täglichen Einsatz wird er mit ganz unterschiedlichen Situationen konfrontiert, die bei seiner Programmierung nicht vorhersehbar sind. ARMAR-6 lernt daraus und entwickelt Lösungen, ähnlich einem Menschen.

Wahrnehmen und kommunizieren

Entwickelt wird ARMAR-6 von einem Team von Wissenschaftlern um Professor Tamim Asfour vom Institut für Anthropomatik (IAR) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Sie konzipieren den Roboter bewusst als Assistenten, der direkt mit dem Menschen zusammenarbeitet. 3D-Kameras ermöglichen die Wahrnehmung von Personen und Objekten, Lasersensoren sorgen für kollisionsfreie Bewegung, Drehmomentsensoren in allen Armgelenken für eine variable Kraftverteilung, die eine enge Zusammenarbeit mit dem Menschen erst ermöglicht. Kommunizieren kann ARMAR-6 durch natürliche Sprache. Überwacht und verarbeitet wird das alles von vier Computern.

Durch seine KI unterscheidet sich ARMAR-6 von konventionellen Robotern in heutigen Industriebetrieben. Neue Fähigkeiten eignet er sich bei allen Tätigkeiten an, etwa wenn er eine Bohrmaschine weiterreicht. Sein System ermöglicht es ihm zu entscheiden, wie und wie fest er greifen muss, sein menschlicher Kollege gibt ihm zusätzliche Anweisungen. Nicht nur durch exploratives Lernen, sondern besonders mittels Teaching und Coaching durch den Menschen wird der Erfahrungsschatz der KI Tag für Tag immer größer. So ergänzen sich Mensch und Maschine immer besser.

Noch lange nicht ausgelernt

Noch muss ARMAR-6 viel lernen, doch in naher Zukunft wird er in der Industrie nicht nur Kosten sparen, sondern auch den Arbeitsalltag vereinfachen können. Er wird gefährliche, körperlich anstrengende oder repetitive und gleichzeitig immer komplexere Aufgaben selbstständig übernehmen oder im Team assistieren. Seine Fähigkeit, aktiv zu lernen, ist dabei der Schlüssel zum Erfolg. Denn für Roboter gilt dasselbe wie für den Menschen: Man lernt nie aus.

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

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Interview

Tamim Asfour hat die ARMAR humanoide Roboterfamilie entwickelt. Er ist Professor für humanoide Robotik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Mitglied der Arbeitsgruppe Lebensfeindliche Umgebungen der Plattform Lernende Systeme.

Herr Asfour, wie lernt ARMAR-6?

Tamim Asfour: ARMAR-6 lernt, wie seine Vorgänger, wie ein kleines Kind: vom Menschen und aus eigener Erfahrung. Hierzu beobachtet er den Menschen bei der Ausführung einer Aufgabe und interpretiert mit Hilfe von Algorithmen des maschinellen Lernens die aktuelle Situation. Auf diese Weise kann er involvierte Objekte, Aktionen und deren Konsequenzen identifizieren und verstehen. Zur Interpretation einer Situation stehen ihm verschiedene Gedächtnisse zur Verfügung, darunter das Vorwissen mit vordefinierter Szeneninformation, das Allgemeinwissen mit allgemein bekannten Objekteigenschaften und -beziehungen, sowie das episodische Gedächtnis, welches vergangene Erlebnisse des Roboters selbst speichert. Daraufhin erstellt er einen Plan zur Ausführung der Aufgabe, führt diesen aus und evaluiert nach jeder Aktion den Erfolg, um seine Fähigkeiten kontinuierlich zu verbessern. Durch die Interaktion mit dem Menschen mit Hilfe von Sprache und Gesten werden fehlende Informationen vervollständigt.

Welche Technologien nutzt er dazu?

Tamim Asfour: Die Grundlage für das datengetriebene Lernen von Aktionen und deren Verkettung zu komplexen Handlungen bilden menschliche Demonstrationen. Aus einer großskaligen Datenbank von menschlichen Bewegungen mit semantischen Beschreibungen, der KIT Whole-Body Human Motion Database, können die ARMAR-Roboter die zur Ausführung einer Aufgabe notwendigen Aktionen extrahieren. Inspiriert durch Methoden der natürlichen Sprachverarbeitung wird aus dieser Datenbank ein “Bewegungsalphabet” erstellt, bei dem einzelne Aktionen den Wörtern und ganze Handlungen den Sätzen einer Bewegungssprache entsprechen. So können Sequenzen von Aktionen für die Ausführung einer Aufgabe generiert, an die aktuellen Situation angepasst und ausgeführt werden. Das gesamte Wissen über Objekte, Aktionen und deren Beziehungen speichern die Roboter in einer Gedächtnisstruktur, bei der ein als tiefes neuronales Netz realisiertes episodisches Gedächtnis den Abruf vergangener Erfahrung ermöglicht. Begegnet ARMAR-6 einer unbekannten Szene, versucht er durch physische Interaktion mit der Szene mehr Informationen zu gewinnen. Dabei verändert er z.B. durch Schiebeaktionen die Position einzelner Objekte und analysiert die Veränderungen in der Szene aufgrund dieser Interaktion. Dadurch kann ARMAR Objekte in der Szene entdecken, segmentieren und neue Objektrepräsentationen lernen.

Bei welchen Tätigkeiten unterstützt ARMAR-6 die Beschäftigten?

Tamim Asfour: ARMAR-6 wurde im Rahmen des EU-Projekts SecondHands entwickelt, um Technikern bei Wartungs- und Reparaturaufgaben in industriellen Anlagen zu unterstützen. Dabei fungiert er als proaktiver Assistent für Aufgaben, die ein zweites Paar Hände erfordern. Da die Aufgaben der Techniker vielfältig sind, wurde ARMAR-6 hochgradig flexibel entworfen. Zum Beispiel kann er sowohl Objekte vom Boden aufheben als auch eine Fließbandabdeckung auf zweieinhalb Meter Höhe halten, für die menschliche Techniker eine Leiter benötigen. Die Interaktion mit dem Roboter ist dabei intuitiv. Zum einen versteht ARMAR-6 Sprachbefehle und kann selbst über Sprache Feedback geben. Zum anderen interpretiert er Interaktionskräfte, die er in seinen Armen während kollaborativer Aufgabenausführung spürt. Eine weitere, wichtige Fähigkeit für einen proaktiven Assistenten ist die Fähigkeit zu erkennen, wann Hilfe benötigt wird. Hierbei setzt ARMAR-6 unterschiedliche Modalitäten ein, um dies zu ermöglichen. Aus sprachlichen Äußerungen des Technikers wird durch Methoden der Künstlichen Intelligenz interpretiert, welche Aufgabe der Techniker aktuell bearbeitet. Mittels visueller Wahrnehmung werden die aktuelle Szene und Aktionen des Menschen beobachtet, um ebenfalls die aktuelle Handlung zu erkennen und somit proaktiv Hilfestellung geben zu können.

Kommen Ihre Roboter bereits in der Industrie zum Einsatz?

Tamim Asfour: Die ARMAR-Roboter, insbesondere ARMAR-III und ARMAR-6 werden derzeit als Forschungsplattform für die nahtlose, und proaktive Assistenzrobotik eingesetzt. Ihre Fähigkeiten werden dabei kontinuierlich erweitert. Basierend auf den erzielten Ergebnissen könnten die Nachfolger von ARMAR-6 vielfältige Aufgaben in industriellen Umfeldern übernehmen, bei denen ein starkes zweites Paar Hände erforderlich ist. Konkrete Anwendungsfelder sind die Wartungs- und Reparaturaufgaben von Industrieanlagen. Darüber hinaus sind aber auch Anwendungen im Haushalt oder in der Pflege denkbar, da ARMAR-6 nicht nur stark ist, sondern auch feinfühlig mit Menschen interagieren kann. Die ARMAR-Roboter sind ein erster wichtiger Schritt in diese Richtung. Jedoch ist weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf notwendig, um eine nahtlose Integration von Methoden der Informatik, des maschinelles Lernens, der Künstlichen Intelligenz und Mechatronik zu ermöglichen und ganzheitliche Robotersysteme und KI-gestützte Architekturen mit dem für 24/7 Anwendungen notwendigen Reifegrad zu schaffen. Für dieses Ziel braucht es Referenzplattformen und Testfelder für die Assistenzrobotik, so dass Experten aus den unterschiedlichen Disziplinen ihre Methoden und Ergebnisse in realen Umgebungen evaluieren können.