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.



  • Cyberattacken oft zu spät entdeckt

    Cyberattacken oft zu spät entdeckt

    Mangelnde Reaktionsgeschwindigkeit ist für den Mittelstand die größte Herausforderung bei Cyberangriffen. Dabei stehen laut einer Studie von Deloitte Mitarbeiter bei der Abwehr von Risiken im Brennpunkt. Phishing-Mails, Betrugs-Websites und Erpressungssoftware…

    mehr lesen: Cyberattacken oft zu spät entdeckt

  • KI ist wichtig, die Umsetzung läuft noch schleppend

    KI ist wichtig, die Umsetzung läuft noch schleppend

    Die Unternehmen sprechen der künstlichen Intelligenz eine herausragende Bedeutung zu, tun sich aber schwer damit, die Technologie praktisch einzusetzen. Dies geht aus einer branchenübergreifenden Umfrage des Digitalverbands Bitkom unter 603…

    mehr lesen: KI ist wichtig, die Umsetzung läuft noch schleppend

  • Hilpert vertreibt Critical Manufacturing-MES in der Schweiz

    Hilpert vertreibt Critical Manufacturing-MES in der Schweiz

    Das MES von Critical Manufacturing können Schweizer Unternehmen künftig auch von Hilpert Electronic beziehen. Der Spezialist für Applikationen rund um die Mikroelektronikfertigung ist neuer Vertriebspartner des weltweit agierenden MES-Herstellers mit…

    mehr lesen: Hilpert vertreibt Critical Manufacturing-MES in der Schweiz

  • Algorithmen automatisiert trainieren

    Algorithmen automatisiert trainieren

    Durch künstliche Intelligenz (KI) können Maschinen Objekte erkennen. Dafür werden Algorithmen mit Bilddaten manuell trainiert. Das am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entstandene Start-up Kimoknow hat eine Technologie entwickelt, um…

    mehr lesen: Algorithmen automatisiert trainieren

  • Netzwerk-Firewall für interne Segmentierung

    Netzwerk-Firewall für interne Segmentierung

    Fortinet stellt mit der FortiGate 4200F eine leistungsstarke Netzwerk-Firewall vor. Diese basiert auf dem NP7, dem von Fortinet entwickelten Netzwerkprozessor der siebten Generation. Indem sie Networking mit Security verbindet, ermöglicht…

    mehr lesen: Netzwerk-Firewall für interne Segmentierung

  • Industrie rechnet weiter mit Rückgang der Produktion

    Industrie rechnet weiter mit Rückgang der Produktion

    Trotz eines Anstiegs im Vergleich zum Vormonat bleiben die Ifo-Produktionserwartungen im negativen Bereich. Die deutsche Industrieunternehmen erwarten somit einen weiteren Rückgang der Produktion.

    mehr lesen: Industrie rechnet weiter mit Rückgang der Produktion

  • Übungen als Schutz vor Cyberrisiken?

    Übungen als Schutz vor Cyberrisiken?

    Immer mehr IT-Abteilungen vertrauen auf Penetrationstests oder Bug-Bounty-Programme und simulieren Cyberattacken, um ihre Mitarbeiter zu sensibilisieren. Grund dafür ist der explosionsartige Anstieg von Cyberbedrohungen. 

    mehr lesen: Übungen als Schutz vor Cyberrisiken?

  • Stephan Klokow in Vorstand des Cluster IT Mitteldeutschland gewählt

    Stephan Klokow in Vorstand des Cluster IT Mitteldeutschland gewählt

    Stephan Klokow, Direktor DPI (Deep Packet Inspection) beim Rohde & Schwarz Tochterunternehmen Ipoque, wurde während der Mitgliederversammlung am 18. Mai 2020 in den Vorstand des Branchennetzwerks Cluster IT Mitteldeutschland e.V.…

    mehr lesen: Stephan Klokow in Vorstand des Cluster IT Mitteldeutschland gewählt

  • Harald Rackel wird COO bei SSI Schäfer

    Harald Rackel wird COO bei SSI Schäfer

    Zum 1. Oktober hat die SSI Schäfer Gruppe die Position des Chief Operating Officer besetzt. Der Beirat der Unternehmensgruppe hat Harald Rackel in das Amt berufen.

    mehr lesen: Harald Rackel wird COO bei SSI Schäfer

  • Fusionen und Übernahmen 2019 stabil auf niedrigem Niveau

    Fusionen und Übernahmen 2019 stabil auf niedrigem Niveau

    Deutsche Unternehmen waren im Jahr 2019 an weniger Fusionen und Übernahmen beteiligt als im Vorjahr. Für die zweite Jahreshälfte ermittelte der ZEW-Zephyr M&A-Index sogar den tiefsten Stand seit Beginn der…

    mehr lesen: Fusionen und Übernahmen 2019 stabil auf niedrigem Niveau

  • Arbeitsmarktbarometer fängt sich auf niedrigem Niveau

    Arbeitsmarktbarometer fängt sich auf niedrigem Niveau

    Nach seinem Tiefststand im Vormonat, ist das IAB-Arbeitsmarktbarometer im Mai wieder leicht gestiegen.

    mehr lesen: Arbeitsmarktbarometer fängt sich auf niedrigem Niveau

  • Neuer Vertriebspartner nah am SAP-Markt

    Neuer Vertriebspartner nah am SAP-Markt

    Die Feinplanungsspezialistin Dualis GmbH IT Solution will mit einer neuen Vertriebspartnerschaft ihre Position im SAP-Umfeld stärken. Cpro IoT Connect vertreibt und implementiert künftig die APS-Lösung Ganttplan als Platinum-Partner.

    mehr lesen: Neuer Vertriebspartner nah am SAP-Markt