Vom raffinierten Zusammenspiel aus Mechanik, Sensorik und KI bis hin zu neuesten Methoden der KI – laufende Roboter stecken voller Innovationen auf dem Feld der Robotik. (Quelle: istock_ sarawuth702_ 1454118324)
Robotern das Laufen beizubringen, galt lange als besonders ehrgeiziges und ebenso schwieriges Unterfangen. Selbst beim Menschen kommt das Gleichgewicht nur durch ein raffiniertes Zusammenspiel aus vestibulärem System (drei kleine Knochen in unserem Innenohr), unserem Sehsinn, Sensoren in Muskeln, Sehnen und Gelenken sowie unserer Muskulatur und unserem Nervensystem zustande. Um Roboter auf vier oder gar zwei Beinen laufen zu lassen, ist dementsprechend eine ähnlich komplexe Abstimmung mehrerer Technologien nötig.
Zunächst ist ein laufender Roboter ein Wunderwerk der Mechanik: Beine und Gelenke – aber auch der Rest des Roboterkörpers – müssen so gestaltet und optimiert sein, dass der Roboter sich stabil und effizient fortbewegen kann, während er die Balance hält. Dafür müssen die Aktuatoren, die die Bewegung der Beine steuern, hochpräzise arbeiten und aufeinander abgestimmt werden. Bevorzugt werden dafür pneumatische Aktuatoren. Mittlerweile ist die Forschung so ausgereift, dass diese der menschlichen Muskulatur sehr nahekommen. So haben beispielsweise Forscher des Instituto Italiano di Technologia mithilfe 3D-gedruckter pneumatischer Aktuatoren ein Handgelenk nachgebaut, das dem menschlichen bereits verblüffend ähnelt. Wichtig ist dabei auch, dass mechanische Abläufe möglichst energiesparend funktionieren. Laufähnliche Bewegungen verbrauchen aufgrund ihrer Komplexität viel elektrische Energie. Große, schwere Akkus behindern jedoch die Balance des Roboters. Je weniger Strom die Bewegungen also verbrauchen, umso besser. Zudem sind laufende Roboter mit einer Vielzahl von verschiedenen Sensoren ausgestattet, um ihre Position und Bewegungen zu erfassen. Dazu zählen beispielsweise Inertialsensoren, wie Gyroskope und Beschleunigungssensoren, aber auch Kameras oder Tiefensensoren. Die erstaunliche Entwicklung der letzten Jahre im Bereich der Sensorik hat immer kleinere, leichtere, leistungsfähigere und energiesparendere Sensoren hervorgebracht. Genau diese kompakten Hochleistungssensoren werden für laufende Roboter benötigt.
KI macht Orientierung und Balance möglich
Hinzu kommt, dass die von Sensoren gesammelten Informationen in Echtzeit verarbeitet, analysiert und in angepasste Steuerbefehle umgewandelt werden müssen. Besonders bei unebenen Untergründen müssen für jeden Schritt komplexe Berechnungen durchgeführt und in Reglungstechnik übersetzt werden. Nur so sind Aktuatoren korrekt ansteuerbar, damit der Roboter die Balance hält. Insbesondere ist das der Fall, wenn zusätzlich zum Laufen auch Manipulationsaufgaben hinzukommen, zum Beispiel wenn ein zweibeiniger Roboter etwas greifen soll oder ein Greifarm auf einem vierbeinigen Roboter montiert wurde, um Objekte zu bewegen.
Hier spielt KI eine große Rolle und hat maßgeblich zum Erfolg der laufenden Roboter beigetragen. Überdies muss der Roboter ständig seine Umwelt erfassen, um nicht mit anderen Menschen, Tieren oder Gegenständen zusammenzustoßen. Dabei hilft ebenfalls fortschrittliche KI-Technologie, die in den letzten Jahren vor allem durch das autonome Fahren vorangetrieben wurde. Durch Videokameras, Infrarot- oder LiDAR-Sensoren vermisst der Roboter stets seine Umwelt und berechnet, ob die angestrebte Route frei ist. KI macht es möglich, dass die Laufroboter stetig aus Erfahrungen lernen und sich immer leichter an neue Situationen oder Umgebungen anpassen können. All diese Fortschritte in Mechanik, Steuerung und KI tragen dazu bei, dass laufende Roboter heute mühelos über steiniges Terrain balancieren, während des Laufens Objekte greifen oder sich durch belebte Fußgängerzonen schlängeln.
Neue Möglichkeiten für Technik auf vier Beinen
Mit diesen fortschrittlichen Fähigkeiten qualifizieren sich laufende Roboter für eine Reihe neuer Einsatzmöglichkeiten. In der Logistik können sie beispielsweise bereits gut eingesetzt werden. Sie helfen bei der Lagerhaltung sowie Kommissionierung und verbessern so die Genauigkeit sowie Effizienz der Arbeitsabläufe. Aber auch beim Materialtransport in Produktionsstätten können sie gute Dienste erweisen und die menschlichen Arbeiter entlasten.
Ein weiteres Einsatzszenario ist das Zustellen von Paketen. Laufende Roboter haben den entscheidenden Vorteil, dass sie besser auf unebenem Grund vorankommen und sogar Treppen steigen können. Gerade beim Transport von größeren Lasten oder in Häusern ohne Aufzug kann ein Laufroboter Paketzusteller bei körperlich schwerer oder zeitintensiver Arbeit entlasten. Diese Stärke in unwegsamem Terrain ist besonders wertvoll, wenn laufende Roboter zur Erkundung unbekannter Gebiete eingesetzt werden. Nach Naturkatastrophen, wie Erdbeben oder Wirbelstürmen, können Laufroboter in gefährliche Gebiete und einsturzgefährdete Gebäude gehen, um nach Überlebenden zu suchen oder bereits erste Hilfe zu leisten. Auch nach Unglücksfällen wie Bränden ist es sicherer, zuerst einen Roboter die Lage erfassen zu lassen. So setzt zum Beispiel bereits die Polizei in Baden-Württemberg und Nordrhein-Westfalen die vierbeinigen Hunderoboter ein. In ersten Versuchen hat man gute Erfahrungen gemacht, denn der Laufroboter sei schneller und verwische weniger Spuren als Modelle mit Rollen oder auf Ketten. In den Elk Valley Kohleminen in Kanada erledigt ein Vierbeiner routinemäßige Inspektionsaufgaben und erfasst regelmäßig Daten zum Zustand der Mine – ein Job, der für die menschlichen Angestellten trotz moderner Ausstattung mit Lebensgefahr behaftet ist.
Selbstverständlich eignet sich ein laufender Roboter auch perfekt als Service-Gehilfe. In Restaurants, auf Messen oder Festivals kann er Essen transportieren, Informationen verbreiten, oder Müll sammeln. In Singapur wurden laufende Hunderoboter bereits während der Covid-19-Pandemie eingesetzt, um Spaziergänger und Jogger in Parkanlagen auf die geltenden Abstandsregeln aufmerksam zu machen.
Einige Universitäten und Hochschulen in Deutschland haben bereits laufende Roboter erworben, da sie für Studierende der Informatik oder im Maschinenbau besonders interessante Lernobjekte darstellen. An ihnen können Studierende komplexe Herausforderungen in der Robotik erlernen und Programmieren üben. Zudem eignen sich die Vierbeiner für eine Vielzahl interessanter Projekte, um ihnen neue Fähigkeiten beizubringen. Zum Beispiel gibt es im Bereich Fortbewegung in Kombination mit Greifen und Objekte platzieren noch einiges zu erlernen. Und zu guter Letzt sind Hunderoboter auch für immer mehr Menschen eine faszinierende Freizeitbeschäftigung. Durch den technischen Fortschritt ist es auch für Privatpersonen nicht mehr unmöglich, sich einen laufenden Roboter zu kaufen. Roboter und roboterähnliche Elektronikspielzeuge üben eine ungebrochene Anziehungskraft auf den Menschen jeder Altersklasse aus, wie man schon Ende der 1990er-Jahre an Phänomenen, wie Tamagotchi oder Furby, sehen konnten. Die Besitzer haben Spaß dabei, die Roboter zu trainieren und ihnen neue Kunststücke beizubringen. So wird der elektronische Vierbeiner zum treuen Begleiter, fast wie ein echter Hund. Der Entertainment-Faktor darf dabei auch nicht vergessen werden, zumal man durch die Beschäftigung mit einem Hunderoboter bessere Programmierkenntnisse erwerben kann.