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.



  • Mittler zwischen Mehrwert und Sicherheit

    Mittler zwischen Mehrwert und Sicherheit

    Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT entsteht gerade die Software KMUsecure. Das Programm soll produzierende KMU dabei unterstützen, kritische Netzwerkschnittstellen zu sichern und Vernetzung leichter zur Optimierung zu nutzen.

    mehr lesen: Mittler zwischen Mehrwert und Sicherheit

  • Accenture übernimmt Salt Solutions

    Accenture übernimmt Salt Solutions

    Der SAP-Partner und MES-Integrator Salt Solutions wird Teil von Accenture. Wie die Unternehmensberatung bekannt gab, ist die Vereinbarung bereits unterschrieben.

    mehr lesen: Accenture übernimmt Salt Solutions

  • Vertrauenswürdige Prozessoren aus Deutschland

    Vertrauenswürdige Prozessoren aus Deutschland

    Im Projekt Scale4Edge arbeiten 22 Akteure aus Wissenschaft und Wirtschaft an besonders vertrauenswürdiger Computerhardware. Entstehen soll ein skalierbares Edge-Computing-Ökosystem rund um die Risc-V-Architektur etwa für Industrieanwendungen, Heimautomation und selbstfahrende Autos.

    mehr lesen: Vertrauenswürdige Prozessoren aus Deutschland

  • Innovationsranking im produzierenden Mittelstand

    Innovationsranking im produzierenden Mittelstand

    Innovation gehört zu den drei wichtigsten Digitalisierungszielen im Mittelstand, gleich nach Mitarbeiterproduktivität und Prozessmodernisierung. Das ist das Ergebnis einer Untersuchung, die im Auftrag des ERP-Anbieters Proalpha entstand. Doch wo ist…

    mehr lesen: Innovationsranking im produzierenden Mittelstand

  • Arbeitsmarktbarometer dreht ins Plus

    Arbeitsmarktbarometer dreht ins Plus

    Das IAB-Arbeitsmarktbarometer ist im September 2020 um 1,7 Punkte auf 100,1 Punkte gestiegen. Erstmals seit Beginn der Corona-Krise liegt der Frühindikator des Instituts für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung (IAB) damit nicht…

    mehr lesen: Arbeitsmarktbarometer dreht ins Plus

  • Ergänztes IT-Sicherheitskonzept für Profinet

    Ergänztes IT-Sicherheitskonzept für Profinet

    Parallel mit den ersten Profinet-Spezifikationen veröffentlichte PI ein umfassendes Security-Konzept, das in mehreren Schritten weiter detailliert und angepasst wurde.

    mehr lesen: Ergänztes IT-Sicherheitskonzept für Profinet

  • GIS und EAM fusionieren zu Rodias

    GIS und EAM fusionieren zu Rodias

    Innerhalb der Robur-Gruppe haben sich die Firmen GIS und EAM zusammengetan. Beide Firmen bringen langjährige Erfahrungen rund um die Instandhaltung, Wartung und das Anlagenmanagement in den Zusammenschluss ein. Als Rodias…

    mehr lesen: GIS und EAM fusionieren zu Rodias

  • Startups stellen Lösungen vor

    Startups stellen Lösungen vor

    Zehn IT-Sicherheitsanbieter haben Chance, als das beste Security-Startup der DACH-Region ausgezeichnet zu werden. Nachdem sie im Fachjuryentscheid überzeugen konnten, heißt es jetzt, im Speed-Pitch das Publikum zu gewinnen.

    mehr lesen: Startups stellen Lösungen vor

  • Hindernisse für den KI-Einsatz überwinden

    Hindernisse für den KI-Einsatz überwinden

    Trotz zahlreicher Innovationsmöglichkeiten zögern viele Unternehmen und Behörden noch bei der Nutzung von künstlicher Intelligenz (KI) im Bereich Cybersicherheit.

    mehr lesen: Hindernisse für den KI-Einsatz überwinden

  • Integrierte OT-Sicherheit

    Integrierte OT-Sicherheit

    Rhebo und Barracuda adressieren mit einer kombinierten Lösung vollumfängliche Cybersicherheit für industrielle Netzwerke und IIoT-Geräte.

    mehr lesen: Integrierte OT-Sicherheit

  • Credential Stuffing in der Medienbranche

    Credential Stuffing in der Medienbranche

    Angriffe auf Medienunternehmen durch Kontoübernahmen stiegen bereits zwischen 2018 und 2019 deutlich an. Im Zuge der diesjährigen Pandemie vervierfachten sich schädliche Anmeldeversuche sogar.

    mehr lesen: Credential Stuffing in der Medienbranche

  • Nutzung von Cloudanwendungen in Unternehmen

    Nutzung von Cloudanwendungen in Unternehmen

    Cloudanwendungen boomen: Aktuell gibt es nach Aussagen von führenden TÜV Rheinland-Experten mehr als 30.000 Cloudanwendungen weltweit, von denen Unternehmen aktiv durchschnittlich 1.500 Anwendungen nutzen – mit oder ohne Freigabe der…

    mehr lesen: Nutzung von Cloudanwendungen in Unternehmen