Mobile Roboter sind ein Technologietrend unserer Zeit. Sie sind aus vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken – etwa der Logistik, der Vermessung und Erkundung oder auch dem Servicebereich. Aber was sind mobile Roboter überhaupt und warum lohnt es sich, sich mit ihnen zu beschäftigen?

Text: Philipp Roebrock / Bild: Fachhochschule Graubünden

Ein Roboter ist nach Definition eine Maschine, die selbständig Bewegungsabläufe durchführen kann, um Inspektions-, Handhabungs- oder Fertigungsaufgaben zu übernehmen. Die Bewegungsabläufe können frei programmiert werden und sind oft sensorgeführt. Ein mobiler Roboter ist nicht an einen Ort gebunden, er besitzt die Fähigkeit zur autonomen Fortbewegung. Seine wichtigsten Komponenten sind der Bewegungsapparat, die Sensoren, das Steuerungssystem aus Elektronik und Software und schliesslich die Energieversorgung für alle Komponenten.

Bionik als Inspiration

Klassifiziert werden mobile Roboter nach der Art ihrer Fortbewegung. Sich auf dem Land bewegende Modelle können Räder oder Ketten zum Fahren oder Beine zum Laufen nutzen. Roboter können aber auch auf dem Wasser schwimmen oder tauchen. Fliegende Roboter gleiten wie Flugzeuge durch die Luft oder bewegen sich agil mittels Rotoren fort wie ein Hubschrauber. Auch exotischere Fortbewegungsarten wie Springen oder Klettern sind möglich. Andere Roboter kombinieren verschiedene Bewegungsarten. Sie rollen sich zum Beispiel zu einem Ball zusammen, um einen Abhang hinunterzurollen, und falten sich wieder auseinander, um weiterzulaufen. Bei ihrer Entwicklung dient oft die Bionik als Inspiration. Die Ingenieurinnen und Ingenieure lassen die Roboter Fortbewegungsarten imitieren, die in der Natur vorkommen ‒ etwa bei einem Roboter, der mit Flügeln ausgestattet ist, mit denen er schlägt, um sich wie ein Vogel durch die Luft zu bewegen.

Die grösste Verbreitung von mobilen Robotern findet sich im Bereich der Logistik. Nicht nur auf der Strasse, auch auf dem Wasser und in der Luft werden Transportaufgaben zunehmend von Robotern abgewickelt – etwa mit autonomen Containerschiffen oder Lieferdrohnen. Als Autofahrer hat man sich längst an Fahrassistenzsysteme gewöhnt, die immer mehr Aufgaben übernehmen. Diese Entwicklungen sind Schritte in Richtung teilautonomes und autonomes Fahren. In der Landwirtschaft werden Drohnen eingesetzt, um den Pflanzenstatus aus der Luft zu beurteilen, und mobile Roboter, welche die bedarfsgerechte Ausbringung von Dünger ermöglichen. In der Umweltüberwachung vermessen und kartieren Drohnen Ausdehnungen von Gletschern aus der Luft. Schwimmende Roboter messen auf den Ozeanen die Wassertemperatur und den CO2-Gehalt oder suchen nach Schadstoffen. Auch im Servicebereich setzen sich Roboter immer mehr durch: Sie reinigen den Boden, mähen das Gras, informieren Gäste auf einer Messe oder bewachen nachts ein Werksgelände. Auch das Militär ist zunehmend an mobilen Robotern interessiert. Hier stehen angesichts der technischen Möglichkeiten aber auch ethische Fragen im Vordergrund: Inwieweit darf ein autonomes Waffensystem zum Beispiel eigenständig über das Töten von Menschen entscheiden?

Dreidimensionale Wahrnehmung

Die wichtigsten technologischen Treiber in der Entwicklung von mobilen Robotern sind Fortschritte in der Sensortechnik und der Miniaturisierung. Moderne Sensorik erlaubt es, die Umgebung des Roboters dreidimensional wahrzunehmen. Mit Radarsensoren, Mehrlagen-LiDAR, Time-of-Flight-Kameras und Stereovisionssystemen steht eine Auswahl an Sensorik zur Verfügung, die zum Beispiel bei einem selbstfahrenden Fahrzeug alle relevanten Sichtbereiche hinsichtlich Reichweite und Genauigkeit abdecken kann. Durch die bis heute erfolgte Verkleinerung der Strukturgrösse elektronischer Schaltungen besteht überhaupt erst die Möglichkeit, auf einer mobilen Plattform mit beschränkter Energieversorgung ausreichend Speicher- und Rechenkapazität zur Verfügung zu stellen, um grosse Datenmengen zu verarbeiten und zu einem Gesamtmodell der Roboterumgebung sowie seiner Position darin zu verrechnen («sensor fusion»). Diese Modellinformationen werden in Echtzeit für Regelungsprozesse verwendet. Diese schnellen Prozesse sind nötig, um etwa die Fluglage einer Drohne bei böigem Wind zu stabilisieren oder um einen zweibeinigen Roboter auf unebenem Grund auszubalancieren.

Die mobile Robotik profitiert derzeit auch von den Fortschritten in den Bereichen Künstliche Intelligenz (Artificial Intelligence) und Deep Learning, einer Technik, mit der Computer eine Fähigkeit erwerben, die Menschen von Natur aus haben. Bei der Auswertung von Kamerabildern zum Beispiel ergibt sich die Möglichkeit, Objekte, mit denen der Roboter interagieren soll, zu klassifizieren, zu detektieren und zu lokalisieren. Ausserdem wurde gezeigt, dass ein Laufroboter selbständig lernen kann, seine Beine für einen möglichst effizienten Gang zu benutzen, ohne dass dies explizit von einem Menschen programmiert wurde.

Schweizweit einmalige Studienrichtung

Die Einsatzszenarien für mobile Roboter stellen sehr hohe Anforderungen an das Gesamtsystem und seine Komponenten. Durch den weltweit wachsenden Robotikmarkt ergeben sich für Firmen an einem Technologiestandort wie der Schweiz interessante Betätigungsfelder: Das obere Rheintal etwa ist bekannt für seine Firmen, die in den Bereichen Optik, Optoelektronik und Sensorik tätig sind («Photonics Valley»). Dies sind wichtige Schlüsseltechnologien für die mobile Robotik.

Die Fachhochschule Graubünden bietet ab Herbstsemester 2020 die schweizweit einzigartige Bachelorstudienrichtung Mobile Robotics an. Die Studierenden erhalten eine breite Ausbildung in Grundlagenfächern, Maschinenbau, Elektronikentwicklung und Embedded-Software-Entwicklung. Mit hohem Praxisanteil lernen sie, mobile Roboter zu designen und zu bauen. Die dabei vermittelten Fähigkeiten der einzelnen Fachgebiete und des übergreifenden systemischen Denkens werden in der Schweizer Industrie dringend gebraucht und sorgen für beste Berufsaussichten in den Bereichen Embedded-Software-Entwicklung, Mobile Robotik, Automatisierung und Projektleitung von komplexen technischen Systemen.