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.



  • Energieeffizient lernen

    Energieeffizient lernen

    Ein Forschungsteam an der Technischen Universität Graz hat die KI-Lernmethode E-prop entwickelt, mit der Hardware-Implementierungen von künstlicher Intelligenz energieeffizienter gestaltet werden können.

    mehr lesen: Energieeffizient lernen

  • Positive Aussichten für die SPS 2020

    Positive Aussichten für die SPS 2020

    Die Bayerische Staatsregierung hat das Schutz- und Hygienekonzept für Messen in Bayern verabschiedet. Somit soll die SPS 2020 zum geplanten Zeitpunkt vom 24. bis 26. Oktober in Nürnberg stattfinden, wie…

    mehr lesen: Positive Aussichten für die SPS 2020

  • Erfolgsfaktor Künstliche Intelligenz

    Erfolgsfaktor Künstliche Intelligenz

    Laut einer Studie von Deloitte, sieht die große Mehrheit der in Deutschland befragten KI-Experten, die Technologie als einen wesentlichen Erfolgsfaktor für das eigene Unternehmen.

    mehr lesen: Erfolgsfaktor Künstliche Intelligenz

  • Judith Wiese wird Siemens-Personalchefin

    Judith Wiese wird Siemens-Personalchefin

    Ab 1. Oktober ist Judith Wiese für die Bereiche Human Resources und Global Business Services bei der Siemens AG zuständig.

    mehr lesen: Judith Wiese wird Siemens-Personalchefin

  • Leistungsstarkes KI-System am KIT installiert

    Leistungsstarkes KI-System am KIT installiert

    Als ein Werkzeug der Spitzenforschung ist künstliche Intelligenz (KI) heute unentbehrlich. Für einen erfolgreichen Einsatz – ob in der Energieforschung oder bei der Entwicklung neuer Materialien – wird dabei neben…

    mehr lesen: Leistungsstarkes KI-System am KIT installiert

  • Am Anfang steht das Ziel

    Am Anfang steht das Ziel

    Bei Digitalisierungsprojekten in Fertigungsunternehmen ist die Herangehensweise entscheidend. Der MES-Anbieter Industrie Informatik gibt sieben Tipps für Digiatlisierungsprojekte.

    mehr lesen: Am Anfang steht das Ziel

  • TeamViewer übernimmt Ubimax

    TeamViewer übernimmt Ubimax

    Mit Ubimax übernimmt TeamViewer einen Anbieter von Wearable-Computing-Technologien und Augmented-Reality(AR)-Lösungen. Durch der Akquise will das Göppinger Unternehmen sein Portfolio im Großkundensegment erweitern.

    mehr lesen: TeamViewer übernimmt Ubimax

  • Prüfen und kalibrieren mechanischer Messuhren

    Prüfen und kalibrieren mechanischer Messuhren

    Prüfungen von Messgeräten sind wichtig für die Qualität der Prüfergebnisse. Daher sind Messuhren regelmäßig auf Funktionalität zu prüfen und zu kalibrieren.

    mehr lesen: Prüfen und kalibrieren mechanischer Messuhren

  • Umsatzwachstum erst wieder 2021

    Umsatzwachstum erst wieder 2021

    In einer siebten Blitzumfrage des VDMA zu den wirtschaftlichen Auswirkungen der Corona-Pandemie geben 60 Prozent der Mitglieder an, dass sie erst im kommenden Jahr mit Umsatzsteigerungen rechnen. Die Unternehmen, die…

    mehr lesen: Umsatzwachstum erst wieder 2021

  • Positionspapier zur Gestaltung der Energiewende

    Positionspapier zur Gestaltung der Energiewende

    Die VDI-Fachgesellschaften Energie und Umwelt (GEU) sowie Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) planen, ein Positionspapier zur Umsetzung der Energiewende zu erstellen.

    mehr lesen: Positionspapier zur Gestaltung der Energiewende

  • AAA in Essen und Chemnitz startbereit

    AAA in Essen und Chemnitz startbereit

    Die All About Automation Messen am 9. und 10. September in Essen und am 23. und 24. September in Chemnitz sind startbereit. Das Konzept für eine sichere und erfolgreiche Besucher/Aussteller-Interaktion…

    mehr lesen: AAA in Essen und Chemnitz startbereit

  • SAP und Siemens arbeiten an gemeinsamen Lösungen

    SAP und Siemens arbeiten an gemeinsamen Lösungen

    Im Rahmen einer Partnerschaft wollen Siemens und SAP ihre sich ergänzenden Softwarelösungen für Product Lifecycle, Supply Chain und Asset Management kombinieren.

    mehr lesen: SAP und Siemens arbeiten an gemeinsamen Lösungen