Die Humanoiden kommen
Embedded-Systeme für humanoide Roboter
60 Jahre nachdem Fords »Unimate« als erster Industrieroboter seinen Dienst aufnahm, steht jetzt der nächste Generationswechsel an. Erste Pilotprojekte mit humanoiden Robotern in wertschöpfenden, produktionsrelevanten Industrie-Anwendungen laufen bereits. Doch welche Embedded-Systeme bedarf es dafür?
An Fertigungshallen, in denen nur noch wenige Fachkräfte eine Armada von Industrierobotern überwachen, hat man sich längst gewöhnt. Gussteile für Kfz-Karosserien zusammenschweißen können Maschinen schlicht präziser und schneller als Menschen. Jetzt treten Humanoide aus dem Prototypstadium in die Phase erster Pilotprojekte. Sie lösen die kollaborativen Roboter (Cobots) ab, die der Robotik seit Anfang des Jahrtausends neue Einsatzfelder erschlossen haben, durch ihre Fähigkeiten dynamischer Reaktion, feinfühliger Sensorik und intuitiver Programmierung. Humanoide sollen nun solche Tätigkeiten übernehmen, die bislang ausschließlich Menschen verrichten konnten – allerdings nicht, um sie zu ersetzen, sondern als entlastende Unterstützung und zugleich Antwort auf den globalen Arbeitskräftemangel.
Verbesserte Mechatronik und Locomotion
Technisch beruhen die Humanoiden auf einer Weiterentwicklung dessen, was bereits Cobots ausmachte: hochdichte, präzise Frameless-Motoren, kompakte Servoantriebe und modulare Steuerungssysteme. Hinzu kommen Fortschritte in der Mechatronik in Form schlanker, humanoider Gelenke und eine verbesserte Locomotion, also das koordinierte und sichere Laufen sowie Balancieren in verschiedenen Einsatzszenarien.
Was die Antriebstechnik angeht, kommen in den neuen Geräten verstärkt Quasi-Direct-Drive-Aktuatoren (QDD) zum Einsatz, die hocheffiziente Brushless-Motoren mit einer niedrigen Getriebeübersetzung (typischerweise unter 1:20) kombinieren – ein wichtiger Fortschritt gegenüber den bisherigen Getriebeuntersetzungen von 1:100 bis 1:1000.
Sie machen die Roboter agiler, verringern die Reibung und ermöglichen dadurch natürliche, präzise und sichere Bewegungen – genau das, was die Interaktion mit Menschen und eine dynamische Locomotion erfordern. Torque-Motoren wie die Modelle von TQ-RoboDrive wurden speziell für solche sensitiven, robotischen Anwendungen entwickelt. Durch ihre besonders hohe Drehmomentdichte stellen sie die notwendige Leistung für QDD-Aktuatoren bereit und ermöglichen zugleich kompakte, leichte und hochdynamische humanoide Gelenke.
Herausforderungen für die verbauten Embedded-Systeme
Den verbauten Embedded-Systemen kommt eine besondere Bedeutung zu, weil sie unterschiedlichste, sich oftmals widersprechende Herausforderungen meistern müssen. So müssen sie beispielsweise in der Lage sein, die zahlreichen Sensoren und Aktoren in Echtzeit zu bedienen und zugleich die komplett anders gelagerten KI-Algorithmen abzuarbeiten. Ansätze, die auf Brute Force setzen, also mehr Prozessorkerne, höhere Taktraten und mehr Speicher, führen selbst großräumige Rechenzentren an ihre Grenzen. In den beengten humanoiden Robotern sind sie jedoch nicht umsetzbar, weil der Strombedarf und die Abwärme zu hoch sind, ganz zu schweigen vom Platzbedarf. Eine komplette Steuerung »aus der Cloud heraus« ist wegen der notwendigen Reaktionszeiten bereits ein schwer zu lösendes Problem. Hinzu kommen außerdem Akzeptanzprobleme, die von handfesten Safety- und Security-Bedenken genährt werden – die Intelligenz muss daher im Humanoiden vor Ort sein.
Der Ausweg sind Embedded-Prozessoren, die seit Jahren hohe Effizienz im Bereich der Aktorik und Sensorik liefern und nun auch Beschleunigereinheiten für KI-Aufgaben haben. Dabei geht es um die effiziente Verarbeitung von KI-Modellen (Inferenz) und nicht um deren Erstellung, denn diese Aufgabe bleibt den Rechenzentren überlassen. Für die Verbindung dieser Welten stehen bandbreitenstarke und kryptografisch gesicherte Kommunikationskanäle zur Verfügung. Das Thema Sicherheit beginnt dabei nicht erst bei der Datenübertragung, sondern schon beim Boot-Vorgang und schiebt so Manipulationen und Ausspähen einen Riegel vor.
Eine weitere Besonderheit von Embedded-Systemen ist ihre langfristige Verfügbarkeit. So lassen sich kosten- und zeitintensive Rezertifizierungen vermeiden. Deshalb kommen bei den humanoiden Robotern Bauteile zum Einsatz, die auf den sogenannten Embedded-Roadmaps der Halbleiterhersteller aufgeführt sind und die mindestens sieben Jahre lang geliefert werden. Die Embedded-System-Hersteller treffen zudem weitere Sicherungsmaßnahmen für nochmals längere Lieferzeiträume, die teilweise 15 oder mehr Jahre betragen können.
Kombination aus KI und physischen Fähigkeiten
Neben Mechanik und Bewegung spielt der Fortschritt im Bereich Künstlicher Intelligenz eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung und Marktreife der Humanoiden. Hier geht es um Fähigkeiten der Wahrnehmung und Entscheidungsfähigkeit durch Deep-Learning-Ansätze. Mittels Vision-Language-Action-Modellen können die Geräte ihre Umgebung wahrnehmen und verstehen; sie können Handlungen planen und Aufgaben durch Beobachtung erlernen. Imitation Learning ersetzt bei den Humanoiden komplexe Programmierung. In sogenannten »Robot Gyms« sammeln Hersteller derzeit riesige Mengen an Bewegungs- und Interaktionsdaten, indem Menschen den Robotern demonstrieren, wie sie Tätigkeiten ausführen sollen. Die Humanoiden beobachten eine Aufgabe, abstrahieren das Bewegungsmuster und führen sie anschließend selbstständig aus. Mit dieser Kombination aus KI und physischen Fähigkeiten gehen die Humanoiden weit über klassische Robotik hinaus.
Sicherheit und Zuverlässigkeit der KI als Herausforderungen
Nichtsdestotrotz bleiben komplexe Herausforderungen, welche die breite Einführung der humanoiden Robotik bislang abbremsen. In erster Linie geht es um funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit der KI. Zum einen genügt es nicht, nur einzelne Antriebe sicher zu regeln, sondern Ziel muss eine koordinierte, verzögerungsfreie Bewegung von 30 bis 50 Achsen in Echtzeit sein. Andernfalls bewegen sich die Geräte genauso ungelenk wie der berühmte C3PO aus Star Wars. In der Interaktion mit Menschen arbeitet die Forschung weiter an zuverlässiger Erkennung, korrekter Einschätzung von Abständen sowie der Integration von Regelungstechnik und KI in sicherheitskritische Entscheidungen. Darüber hinaus sind Hände mit vielen Freiheitsgraden, taktilem Feedback und variabler Steifigkeit technisch äußerst schwierig umsetzbar. Ohne dies aber bleiben feinfühlige Manipulationsfähigkeiten in vielen Bereichen eingeschränkt.
Cybersecurity ist auch in der humanoiden Robotik ein brisantes Thema: Mit der zunehmenden Vernetzung humanoider Roboter steigt das Risiko von Cyberangriffen. Kompromittierte Modelle oder Steuerungen könnten im schlimmsten Fall zu unkontrollierten Bewegungen führen. Gleichzeitig müssen sensible Daten geschützt werden, welche die Geräte in ihrem Arbeitsumfeld erfassen. Die hierbei zu errichtenden Sicherheitsarchitekturen müssen eben robust sein wie in der Automobilindustrie oder bei industriellen Steuerungssystemen.
Um humanoide Roboter in reale Arbeitsprozesse zu integrieren, reicht außerdem Bewegung allein nicht aus. Materialzuführung, Qualitätskontrolle, Maschinenansteuerung und ganze Prozessketten sind zu berücksichtigen. Um effektiv in einem Arbeitsumfeld mit Menschen, Maschinen und anderen Robotern zu arbeiten, müssen die Humanoiden komplette Arbeitsprozesse verstehen können und sich flexibel an wechselnde Anforderungen, dynamische Einsatzfelder sowie bestehende Workflows anpassen.
Humanoide Roboter von Mentee Robotics in der Intralogistik.
Wenig Bauteile, fehlende Normierung
Die Lieferkette bei der Herstellung ist ein weiterer Bremsklotz. Hochspezialisierte Komponenten wie drehmomentstarke Motoren, präzise Getriebe und komplexe Sensorik, wie sie Humanoide benötigen, stammen von nur wenigen Herstellern und sind daher schwer beliebig nachzubestellen. Wirtschaftlich attraktiv werden die Geräte erst, wenn die Produktion skaliert und damit die Kosten sinken. Nicht zuletzt gibt es für die neue Roboterklasse bislang kaum Normen oder Verfahren; es fehlt an der entsprechenden Regulierung und Zertifizierung. Klassische Sicherheitsstandards greifen nur bedingt, weil Humanoide ohne Käfige arbeiten und KI-basierte Entscheidungen treffen. Mit der Richtlinie TC 299 WG12 erarbeitet die International Organization for Standardisation (ISO) deshalb derzeit eine passende Norm.
Humanoide Roboter adressieren menschliche körperliche Arbeit
Das Potenzial humanoider Roboter ist trotz der bestehenden Herausforderungen gewaltig. Anders als klassische Roboter, die nur klar definierte Aufgaben lösen können, übernehmen die neuen Systeme flexibel ein breites Spektrum an Tätigkeiten, von der Kommissionierung über die Montage bis hin zu Service- und Reinigungsaufgaben. Der globale Markt für menschliche körperliche Arbeit wird auf rund 25 Billionen Dollar geschätzt – größer als jeder andere Wirtschaftssektor. Humanoide Roboter adressieren genau diesen Bereich, indem sie anstrengende und monotone Tätigkeiten übernehmen, die heute von Menschen ausgeführt werden müssen, für diese zu belastend, gefährlich oder schlicht unattraktiv sind bzw. die sich mangels Fachkräften gar nicht mehr ausführen lassen.
Wichtigstes Werkzeug der Industrie- und Dienstleistungsgesellschaft
Die Technologie ist reif, an den Kinderkrankheiten wird gearbeitet, und so rollt eine massive Welle an Innovation und Kapital auf die Branche zu. In realen Fertigungsprozessen oder produktionsnahen Szenarien werden humanoide Roboter bereits eingesetzt. In den kommenden fünf Jahren könnten sie in ersten Projekten branchenübergreifend produktiv arbeiten und in Logistikzentren, bei einfachen Montagetätigkeiten, in der Verpackung und Kommissionierung sowie im Facility Management eingesetzt werden. Weitere fünf Jahre später dürften die Geräte zu einem der wichtigsten Werkzeuge der modernen Industrie- und Dienstleistungsgesellschaft geworden sein und in vielen Branchen zum Standard gehören.