Studierende machen Industrieroboter wieder fit

UPB KARL Balancieren 20261105
Bild: Universität Paderborn

Ein Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und Studierenden am Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn hat im Projekt ‚Knickarmroboter in der Lehre‘ (Karl) Industrieroboter modernisiert und als Demonstratoren für KI-gestützte, praxisnahe Robotikanwendungen in die Lehre gebracht. Für die Beteiligten spielte dabei das Thema Nachhaltigkeit eine wichtige Rolle: Die Roboter waren zeitweise ungenutzt und sollten mit möglichst geringem Aufwand modernisiert werden. Im Ergebnis hat das Team zwei Knickarmroboter mit neuer Sensorik ausgestattet und wieder lauffähig gemacht. Sie stehen direkt und ohne großen Einarbeitungsaufwand für die Lehre zur Verfügung. Die Aufbau-, Instandsetzungs- und Inbetriebnahmearbeiten wurden am Lehrstuhl für Regelungstechnik und Mechatronik (RtM) von wissenschaftlichen Mitarbeitenden und studentischen Hilfskräften durchgeführt und in drei studentischen Abschlussarbeiten vertieft.

Roboter, die selbst lernen

Projektmitarbeiter Niklas Fittkau erklärt: „Unser Ziel war es, eine hybride Lern- und Arbeitsumgebung aus realen Robotern mit Sensorik und einer Simulationsumgebung mit KI-Anwendungen zu schaffen. Studierende sollten damit theoretische Inhalte praktisch erproben. Insbesondere Methoden des ‚Reinforcement Learning‘ spielten eine wichtige Rolle.“

Reinforcement Learning ist ein Teilgebiet des maschinellen Lernens, bei dem Agenten durch Interaktion mit ihrer Umgebung lernen, Entscheidungen so zu treffen, dass ihre Belohnung maximiert wird. Die Projektbeteiligten erläutern dies anhand einer Robotersteuerung: Der Agent wählt anhand von Sensordaten eine Aktion für den Roboter, erhält dann eine Belohnung als Rückmeldung, etwa für eine kollisionsfreie Bewegung, und lernt so durch Ausprobieren, wie er ein vorgegebenes Ziel erreichen kann. Den Agenten selbst könne man sich beispielsweise als neuronales Netz vorstellen, so die Forschenden.

Die Knickarmroboter, genauer ein 6-Achs-Industrieroboter von Kawasaki sowie der 7-Achs-Roboter Franka Emika Panda, wurden im Labor aufgebaut, instandgesetzt und in modernen Softwareumgebungen wieder einsatzfähig gemacht. Für den Kawasaki-Roboter erprobte das Team zunächst die Steuerung in einer simulierten Umgebung und entwickelte anschließend eine eigene Schnittstelle, über die sich der Roboter aus beliebiger externer Software ansteuern lässt. Darauf aufbauend wurden Bewegungsabläufe geplant, vom Roboter ausgeführt und die Ergebnisse bewertet.

Beim Franka Emika Panda untersuchte das Team die Übertragbarkeit von Reinforcement Learning auf reale Roboteranwendungen. Dies wurde an zwei Beispielen demonstriert: Zum einen sollte Reinforcement Learning die Bahnplanung mit dem stichprobenbasierten Verfahren ‚Rapidly-exploring Random Tree‘ (RRT) ersetzen. Zum anderen zeigte das Balancieren einer Kugel mit dem ‚Soft-Actor-Critic‘-Algorithmus (SAC), wie sich Reinforcement Learning am Roboter direkt umsetzen lässt. In einer weiteren Studienarbeit entstand aus dem Roboter und vorhandener Sensorik des Lehrstuhls ein Pick&Place-System, das Objekte auf einem Drehteller erkennt, greift und an Zielpositionen auf einem zweiten Drehteller ablegt, während sich beide Teller bewegen.

Einblick in Robotik- und Automatisierungstechnik

Für die Lehre wurden Demonstrationsvideos zu den Grundlagen von Knickarmrobotern aufgenommen und Robotersysteme für Vorlesungen bereitgestellt. „Karl zeigt, wie vielfältig der Weg vom ersten Programmierbefehl bis zum autonomen, wahrnehmenden Robotersystem sein kann. Das Team hat dabei den gesamten Entwicklungszyklus durchlaufen und eine Plattform aufgebaut, die Studierenden einen realistischen Einblick in die Robotik- und Automatisierungstechnik gibt“, so Fittkau. Die entwickelten Simulations- und Ansteuerungsumgebungen bilden die Grundlage für den weiteren Einsatz in Lehrveranstaltungen, insbesondere für praktische Reinforcement-Learning-Übungen. Außerdem könne die interdisziplinäre Zusammenarbeit gestärkt und die Förderung nachhaltigen Maschinenbaus weiter vorangetrieben werden, erläutern die Projektbeteiligten abschließend.



  • Neuer Managing Director bei Dassault Systèmes

    Neuer Managing Director bei Dassault Systèmes

    Mit Dominic Kurtaz hat Dassault Systèmes einen neuen Managing Director für Zentraleuropa ernannt. Zudem wurde das Vertriebsteam neu aufgestellt.

    mehr lesen: Neuer Managing Director bei Dassault Systèmes

  • S&T hebt Prognose an

    S&T hebt Prognose an

    Mehr Umsatz, ein besseres Ergebnis und angehobene Ziele für das laufende Geschäftsjahr. Der Technologiekonzern ist bisher vergleichsweise gut durch die aktuelle Krise gekommen. Verantwortlich dafür sind auch Zuwächse im Medizintechnikbereich.

    mehr lesen: S&T hebt Prognose an

  • Ein digitaler Zwilling für die Produktion

    Ein digitaler Zwilling für die Produktion

    Die Prostep AG, das Institut der Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Universität Hannover und die ISB wollen in einem gemeinsamen Projekt KMUs den digitalen Zwilling näher bringen.

    mehr lesen: Ein digitaler Zwilling für die Produktion

  • Produktionserwartungen der Industrie sind gedämpft

    Produktionserwartungen der Industrie sind gedämpft

    Nach mehreren Anstiegen in Folge, sind die Produktionserwartungen der deutschen Industrie im Oktober insgesamt etwas zurückgegangen. Eine Mehrzahl der Branchen plane jedoch eine Ausweitung der Produktion, so Ifo-Experte Klaus Wohlrabe.

    mehr lesen: Produktionserwartungen der Industrie sind gedämpft

  • Leadec übernimmt AVI GmbH

    Leadec übernimmt AVI GmbH

    Leadec hat zum 1. November die AVI GmbH übernommen. Das Unternehmen ist im Bereich Automation sowie produktionsnaher IT tätig.

    mehr lesen: Leadec übernimmt AVI GmbH

  • Inlandsorders wieder im Plus

    Inlandsorders wieder im Plus

    Der Maschinen- und Anlagenbau in Deutschland erholt sich schrittweise von den Folgen der Corona-Krise. Nach dem saisonalen Rückschlag im August zeigte der Auftragseingang im September 2020 wieder ein positives Bild.

    mehr lesen: Inlandsorders wieder im Plus

  • Mit ‘Sammi‘ Fremdkörper in Lebensmitteln aufspüren

    Mit ‘Sammi‘ Fremdkörper in Lebensmitteln aufspüren

    Fremdkörper in Lebensmittel können für Konsumenten gefährlich werden. Die etablierten Röntgenverfahren erkennen vor allem Metalle – Glas, Kunststoff und Holz stellen hingegen eine Herausforderung dar. Der Prototyp ‘Sammi‘ soll diese…

    mehr lesen: Mit ‘Sammi‘ Fremdkörper in Lebensmitteln aufspüren

  • Jens-Peter Hess neuer Geschäftsführer bei Centric Deutschland

    Jens-Peter Hess neuer Geschäftsführer bei Centric Deutschland

    Mit Jens-Peter Hess hat der SAP-Spezialist Centric einen neuen Geschäftsführer. Er wird das Unternehmen gemeinsam mit Steven Wernike leiten.

    mehr lesen: Jens-Peter Hess neuer Geschäftsführer bei Centric Deutschland

  • Ingenieurarbeitsmarkt gerät zunehmend unter Druck

    Ingenieurarbeitsmarkt gerät zunehmend unter Druck

    Die Corona-Krise hinterlässt auch auf dem Ingenieurarbeitsmarkt Spuren. Das zeigen die Zahlen für das 3. Quartal aus dem aktuellen Ingenieurmonitor, den der VDI mit dem Institut der deutschen Wirtschaft (IW)…

    mehr lesen: Ingenieurarbeitsmarkt gerät zunehmend unter Druck

  • Keine FMB in diesem Jahr

    Keine FMB in diesem Jahr

    Vom 4. bis zum 6. November sollte in Bad Salzuflen die FMB – Zuliefermesse für den Maschinenbau über die Bühne gehen. Durch die aktuelle Pandemie-Lage haben die Veranstalter die Messe…

    mehr lesen: Keine FMB in diesem Jahr

  • Arbeitsmarktbarometer im Oktober stabil

    Arbeitsmarktbarometer im Oktober stabil

    Mit einem leichten Anstieg um 0,1 Punkte gegenüber dem Vormonat zeigt sich das IAB-Arbeitsmarktbarometer im Oktober stabil.

    mehr lesen: Arbeitsmarktbarometer im Oktober stabil

  • Verkaufszahlen von Servicerobotern steigen weltweit um 32 Prozent

    Verkaufszahlen von Servicerobotern steigen weltweit um 32 Prozent

    Der Markt für Serviceroboter erfährt durch die Covid-19-Pandemie einen Schub. So prognostiziert die International Fedaration of Robotics, dass sich der Umsatz mit in diesem Bereich bis 2022 mehr als verdoppeln…

    mehr lesen: Verkaufszahlen von Servicerobotern steigen weltweit um 32 Prozent