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.



  • Maschinenbau rechnet 2020 mit Produktionsrückgang von 17 Prozent

    Maschinenbau rechnet 2020 mit Produktionsrückgang von 17 Prozent

    Der Maschinen- und Anlagenbau kämpft gegen die Folgen der globalen Corona-Pandemie, aber auch gegen einen nach wie vor belastenden Protektionismus im internationalen Handel. Hinzu kommt ein industrieller Wandel, der sich…

    mehr lesen: Maschinenbau rechnet 2020 mit Produktionsrückgang von 17 Prozent

  • Fraunhofer IFF baut Forschungsstandort aus

    Fraunhofer IFF baut Forschungsstandort aus

    Das Fraunhofer IFF baut eine neue Forschungsfabrik im Magdeburger Wissenschaftshafen. Diese soll im Herbst 2021 fertig sein und neue Forschungsschwerpunkte beheimaten.

    mehr lesen: Fraunhofer IFF baut Forschungsstandort aus

  • KIT forscht an 6G-Technologien

    KIT forscht an 6G-Technologien

    Ein am KIT in Karlsruhe entwickeltes Konzept soll hohe Datenübertragungsraten bei niedrigen Kosten ermöglichen — für die sechste Generation des Mobilfunks. Dabei haben die Forscher die bislang höchste Datenrate in…

    mehr lesen: KIT forscht an 6G-Technologien

  • Industrie erwartet Produktionsplus

    Industrie erwartet Produktionsplus

    Die Produktionserwartungen der deutschen Industrie haben sich laut aktuellen Zahlen des Ifo-Instituts leicht verbessert. Im Maschinenbau kletterten die Erwartungen, nach minus 12 Punkten im Juli, wieder in den positiven Bereich.

    mehr lesen: Industrie erwartet Produktionsplus

  • Expleo bezieht neues Technologiezentrum

    Expleo bezieht neues Technologiezentrum

    Anfang August hat Expleo sein neues Technologiezentrum bezogen. Dort sollen zukünftig Software- und Elektroniksysteme für automobile Anwendungen entwickelt werden.

    mehr lesen: Expleo bezieht neues Technologiezentrum

  • Neues Vorstandsmitglied beim VDMA Robotik + Automation

    Neues Vorstandsmitglied beim VDMA Robotik + Automation

    Der VDMA Fachverband Robotik + Automation hat mit Ralf Winkelmann ein neues Vorstandsmitglied berufen.

    mehr lesen: Neues Vorstandsmitglied beim VDMA Robotik + Automation

  • Unternehmen erwarten exponentielles Datenwachstum

    Unternehmen erwarten exponentielles Datenwachstum

    Die Menge an Daten wird in den nächsten Jahren weiter zunehmen. Wie gut Unternehmen darauf vorbereitet sind und welche Hindernisse durch Dark Data entstehen, zeigt eine aktuelle Studie von Splunk.

    mehr lesen: Unternehmen erwarten exponentielles Datenwachstum

  • Auftragsrückgang schwächt sich ab

    Auftragsrückgang schwächt sich ab

    Die Auftragseingänge im Maschinen- und Anlagenbau sind auch im Juli prozentual zweistellig gesunken, allerdings hat sich der Rückgang im Vergleich zu den Vormonaten abgeschwächt.

    mehr lesen: Auftragsrückgang schwächt sich ab

  • Arbeitsmarktbarometer legt erneut zu

    Arbeitsmarktbarometer legt erneut zu

    Mit einem Anstieg von 0,6 Punkten im Vergleich zum Juli liegt das IAB-Arbeitsmarktbarometer im August weiter auf Erholungskurs. Die Beschäftigungskomponente des Frühindikators sank jedoch leicht.

    mehr lesen: Arbeitsmarktbarometer legt erneut zu

  • Neue Technologie am Arbeitsplatz bietet Karrierechancen

    Neue Technologie am Arbeitsplatz bietet Karrierechancen

    Grundsätzlich stehen Arbeitnehmer der Einführung neuer Technologie am Arbeitsplatz positiv gegenüber. Entsprechende Modernisierungen sehen viele Arbeitstätige unter anderem als Chance, ihre Karriere voranzubringen. Das geht aus einer Studie des Payroll-…

    mehr lesen: Neue Technologie am Arbeitsplatz bietet Karrierechancen

  • Allianz kombiniert KI und IoT

    Allianz kombiniert KI und IoT

    Device Insight, Anbieter von IoT- und IIoT-Lösungen, und Sentian, schwedischer Spezialist für industrielle KI, bündeln ihre Expertise, um Unternehmen dabei zu unterstützen, ihre Produktionsprozesse im Sinne einer Smart Factory zu…

    mehr lesen: Allianz kombiniert KI und IoT

  • Gerhard Knoch wechselt von Infor zu Procad

    Gerhard Knoch wechselt von Infor zu Procad

    Gerhard Knoch, bisher Vice President bei Infor, stößt als neuer Geschäftsführer zum PLM-Anbieter Procad.

    mehr lesen: Gerhard Knoch wechselt von Infor zu Procad