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Serviceroboter: Armar: Ein Humanoider macht langsam Fortschritte

Immer wieder Samstag – immer wieder Zeit für die Hausarbeit. Da wäre es doch schön einen R2D2 im Haus zu haben, so wie es uns die Science-Fiction-Filme vormachen. Aber wie steht es um die Humanoiden bei uns in Deutschland? Eines der wenigen Entwicklungszentren für menschenähnliche Roboter ist in Karlsruhe angesiedelt. Hier wird der Haushaltshelfer Anthropomorphic Multi-Arm-Robot, kurz Armar entwickelt.
Die intelligente Haushaltshilfe
Im Juni 2001 wurde der Sonderforschungsbereich Humanoide Roboter (SFB 588) in Karlsruhe gegründet. Verschiedene Institute, Wissenschaftler und studentische Hilfskräfte haben sich ans Werk gemacht, einen intelligenten, arbeitsamen und umsorgenden Humanoiden zu schaffen.

Der Roboter lernt in einer Küche

Lern- und Arbeitsbereich des Roboters ist vorerst die Küche. "Wenn er erst einmal die Küche beherrscht, kommt er im ganzen Haus zurecht", glaubt Professor Rüdiger Dillmann, Sprecher des Sonderforschungsbereiches Humanoide Roboter.
Der Roboter und die Küche | Aufräumen, putzen, sortieren: Das Arbeitsfeld Küche fordert den humanoiden Haushaltsroboter Armar ganz schön heraus.
Er meistert es bereits gut, die Zimmerpflanzen vor dem Vertrocknen zu bewahren. Derzeit lernt er sich mit der Geschirrspülmaschine zurecht zu finden. Er schaut sich dabei zunächst ab, was Menschen ihm vormachen. Zum Beispiel das Öffnen eines Kühlschrankes oder das Einräumen von Geschirr in den Spülautomaten. "Ein Szenario wird zunächst einmal aufgezeichnet und anhand der so genannten Benutzerführung macht der Roboter das nach", erklärt der wissenschaftliche Mitarbeiter Tamim Asfour. Das funktioniert über Handschuhe, die mit Sensoren ausgestattet sind. Ein Mitarbeiter streift sie sich über und hantiert damit in der Küche. Die Sensoren übermitteln jede Bewegungsinformation an den Roboter, der dann die menschlichen Bewegungen nachahmt. Außerdem bekommt Armar Video- und Tonaufnahmen eingespeist, die er zu imitieren lernt.

"Natürlich könnten wir dem Roboter alles einprogrammieren", sagt Asfour, "aber dies ist nicht das Ziel der Entwicklung". Denn dann müsste der Teller immer von einem fest definierten Platz an eine andere vorgeschriebene Stelle transportiert werden. "Wenn ein Objekt nur leicht von diesen definierten Plätzen abweicht, dann wird der Roboter an der Aufgabe scheitern", erklärt der Wissenschaftler. Ziel ist es daher, einen lernfähigen Agenten zu schaffen, der sich in einer nicht definierten Umgebung zurechtfinden kann. Das ganze Wissen über die Umwelt soll sich der Roboter selbst aneignen. Ist der Geschirrspüler offen oder geschlossen? Kommt das Besteck in die obere oder untere Schublade? Oder ist der Löffel in einem speziellen Behälter untergebracht? All dieses Dinge soll Armar erkennen und entsprechend handeln lernen.

Bis zum dienlichen Haushaltshelfer ist es noch ein langer Weg für den Roboter. Momentan kann Armar einfache Reichbewegungen mit den Armen ausführen oder ein Objekt von A nach B transportieren.
Armar versteht einfache Worte | Wird Armar gerufen, dann dreht er seinen Kopf in die Richtung des Rufers. Hat er die Person dann lokalisiert, verfolgt er mit dem Kopf ihren Bewegungen. Dabei dienen ihm Kameras als Augen und Mikrofone als Ohren. Hier hat Armar den Kopf des Sonderforschungsbereiches Professor Dr. Rüdiger Dillmann ins Auge gefasst.
Er ist in der Lage, Gegenstände oder Personen zu lokalisieren und mit seinen Blicken zu verfolgen. Dies funktioniert über Geräusche und Kommandos. Der Roboter kann bereits einfache Sprachbefehle verstehen. Außerdem kann er im Raum herumfahren, ohne mit Hindernissen zusammezustoßen.

Es sind viele Probleme zu bewältigen

"Wir hoffen, dass Armar Ende 2007 in der Lage ist, den Geschirrspüler ein- und auszuräumen", sagt Tamim Asfour. Bis dahin aber gibt es noch einiges zu tüfteln. Noch sehr unausgereift ist das maschinelle Sehen. Wie kann ARMAR ein Glas von einem Teller unterscheiden und beides dann richtig in die Geschirrspülmaschine einräumen? Der SFB macht es dem Roboter etwas einfacher und benutzt farbiges Geschirr. Das soll natürlich nicht immer so bleiben: Irgendwann wird der Roboter lernen, auch einfarbige Küchengegenstände anhand ihrer unterschiedlichen Form zu erkennen. Von Aufgaben im Nassbereich sahen die Wissenschaftler bislang ab. Zu viele Drähte und Kabel hängen lose am Körper des Roboters herum. Diese müssen zuerst mit entsprechenden Konstruktionen gesichert werden, ehe Armar mit fließendem Wasser hantieren kann.

Ein von Studenten erforschtes Teilgebiet betrifft die Kooperation des Roboters mit dem Menschen. Damit eng verknüpft ist die Anforderung an die Sicherheit für beide Beteiligten. Bei der Zusammenarbeit Mensch-Maschine muss vor allem darauf geachtet werden, dass sich der Mensch nicht verletzt. Auf der anderen Seite darf die Maschine keinen Schaden nehmen, wenn der Mensch sich unbedacht verhält. "Hierzu wird der Roboter mit einer künstlichen Haut versehen", erklärt Tamim Asfour. Das heißt, das Ober- und Unterarme des Roboters mit einer Haut ummantelt werden, in denen Sensoren als Kontakte dienen. So kann der Mensch den Roboter anfassen, ihm signalisieren, was er tun soll, ihn in eine bestimmte Richtung dirigieren oder stoppen.

Ein anderes Team ist damit betraut die Arme des Roboters neu zu konstruieren. Arme, die leichter, schneller, genauer sind und menschenähnliche Bewegungen ausführen können.
Arbeitswerkzeug des Roboters | Studierende des Fachbereichs Maschinenbau entwickeln Armars Fünffingerhand weiter. Noch sieht man sämtliche Verdrahtungen, bald aber sollen Kabel und Co. unter einer schicken menschenähnlichen Konstruktion versteckt werden.
Hier geht es um die Optimierung und Steuerung einer Fünffingerhand. Eine Hand, die sowohl fest zupacken als auch Präzisionsgriffe ausführen kann. Die Wissenschaftler und Mitarbeiter des SFB sind davon überzeugt, dass Armar nur Freunde und Abnehmer finden wird, wenn er sich ähnlich wie der Mensch verhält – und wenigstens ein bisschen wie ein Mensch aussieht.

Kommunikation als Schlüsselfunktion

Besonders großen Wert legen die Entwickler auch auf die Kommunikation. Eines Tages soll Armar mittels Sprache, Sehen, Hören und Fühlen seine menschliche Umgebung aufnehmen und Handlungsaufforderungen erledigen können. "Wir können nicht verlangen, dass der Anwender sich mit der Programmierung des Roboters auskennt. Wir können nicht erwarten, dass jeder, der einen Roboter kauft, auch einen Programmierer mit dazu mietet", scherzt Tamim Asfour. Die Kommunikationskanäle werden also eine entscheidende Schlüsselrolle bei der Interaktion zwischen Mensch und Maschine spielen. "Die Roboter sollen mit dem Menschen auf natürlichem Wege kommunizieren können und so stetig weiterlernen, damit sie eine missglückte Handlungen vielleicht beim nächsten Mal besser machen können", sagt der Wissenschaftler. Bislang werden die Handlungen des Roboters noch via Tastatur über ein Datenkabel gesteuert.

Auch die Energieversorgung ist ein entscheidender Faktor. Armar soll später seine Energie on Board haben, "und nicht mit einem Kabel an der Steckdose angeschlossen sein", sagt Asfour und erklärt, dass "im Moment zwei Akkubatterien, die im Roboter eingebaut sind, innerhalb von wenigen Minuten leer sind". Daher gehört es zu den wesentlichen Aufgaben ein Low-Power-System zu entwickeln, also ein System, das möglichst wenig Energie verbraucht.
Armar demonstriert seine Fähigkeiten | Ich gebe dem Roboter eine Birne in die Hand, die er dann weiterreichen soll. Armars Bewegungen werden am Computer gesteuert. Das Ganze dauert mehrere Sekunden.
Es geht alles noch recht langsam voran. Reicht man Armar einen Gegenstand und fordert ihn auf, diesen an die nebenstehende Person weiterzugeben, muss man mitunter bis zu einer Minute warten. Es wird noch einige Zeit dauern, bis das Robotersystem auf Ereignisse in Echtzeit reagieren kann.

Die Entwicklung des Roboters wird von der deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Für die derzeit laufende zweite Hälfte des Projektes, die nach vier Jahren im Juni 2008 beendet sein wird, stellte sie etwa acht Millionen Euro zur Verfügung.

Warten auf die blecherne Haushaltshilfe

Die Entwicklung eines Humanoiden schreitet in kleinen Schritten voran. Stück für Stück werden neue Teilkomponenten entwickelt. Asfour glaubt daran, dass wir schon in naher Zukunft "solche Teilkomponenten im Haushalt einsetzen können". In vier bis fünf Jahren soll Armar erste komplexe Handlungen ausführen. Wer weiß, vielleicht gibt es in weniger als zehn Jahren die ersten Robotersystemen, die uns bestimmte Aufgaben abnehmen, zu kaufen.

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