Bagger greift Fass
Foto: Fraunhofer IOSB

Chemisch verseuchte Gelände oder alte Deponien sanieren, giftigen Müll sortieren oder kerntechnische Anlagen zurück­bauen – bisher mussten sich Menschen bei diesen Aufgaben großen Gesundheitsgefahren aussetzen. Künftig sollen Robotersysteme solche Dekontaminations­arbeiten ausführen. An der Verwirklichung dieser Vision arbeitet das neue Kompetenzzentrum „ROBDEKON – Robotersysteme für die Dekontamination in menschenfeindlichen Umgebungen“, an dem Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) beteiligt sind.

von Lena Kaul

Eine Kontamination mit radioaktiven oder chemischen Gefahrstoffen kann schwerwiegende Folgen für Mensch und Umwelt haben. Es gilt also, solche Verunreinigungen möglichst schnell und gründlich zu entfernen. Da die Schutzmaßnahmen für den Menschen sehr aufwändig und oftmals belastend sind – z. B. durch schwere Ganzkörperanzüge – erscheint künstliche Intelligenz als ideale Lösung für das Problem. Ziel des Projektes ist es, möglichst autonome und praxistaugliche Robotersysteme zu entwickeln, damit die Menschen künftig der Gefahrenzone fernbleiben können. Dazu hat ROBDEKON ein Netzwerk mit Experten aus Wissenschaft und Industrie in diesem Bereich aufgebaut. Langfristig soll das Kompetenzzentrum ROBDEKON als nationale Anlaufstelle zur Beratung und Schulung rund um Robotersysteme für die Dekontamination in lebensfeindlichen Umgebungen dienen. Somit gelangen die entwickelten Konzepte und Technologien direkt in die Firmen und können zur Anwendung gebracht werden. Des Weiteren gibt es bereits Lehrveranstaltungen am KIT und es sollen weitere folgen, um Fachkräfte in diesem Bereich zu gewinnen.

Mitwirkende Institute
Für die Koordination ist das Fraunhofer Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) in Karlsruhe zuständig. Das KIT ist neben dem Forschungszentrum Informatik (FZI) und dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) als Forschungspartner beteiligt. Insgesamt gibt es sieben Labore, in denen z. B. Kletter- und Fräs­roboter entwickelt werden oder Verfahren der Telepräsenz*, um die Robotersysteme aus der Ferne steuern zu können.

Die Forschungsthemen sind:

  • Mobile Roboter für unwegsame Gelände
  • Autonome Baumaschinen
  • Robotermanipulatoren*
  • Dekontaminationskonzepte
  • Planungsalgorithmen
  • Multisensorielle 3D-Umgebungs­kartierung
  • Teleoperation mittels Virtual Reality

In der Aufbauphase des Projektes werden Konzepte zur Dekontamination (Sanierung von Deponien und Altlasten, ­Rückbau kerntechnischer Anlagen, De­kontamination von Anlagenteilen) in Kooperation mit den Industriepartnern* erstellt, Forschungsfragen bearbeitet und technische Lösungen entwickelt. Im Anschluss werden diese Technologien zusammengeführt und in Form von realistischen Testszenarien demonstriert. Solche Demos dienen Firmenvertretern als Anschauungsobjekte.
Das Fraunhofer IOSB konzentriert sich beispielsweise auf den Ausbau der Autonomiefähigkeiten von Baumaschinen. Hierbei können die Forscher ihre eigens entwickelte Algorithmen-Toolbox einsetzen – ein Grundelement, das leicht an die Einsatzzwecke und Anforderungen verschiedener mobiler Roboter anpassbar ist. So ist es z. B. möglich, in unwegsamem Gelände zu navigieren, Hindernissen auszuweichen und Manipulatoren wie eine Baggerschaufel zu steuern. Am IOSB gibt es bereits mehrere geländegängige Roboterfahrzeuge wie den autonomen Bagger IOSB.BoB (kurz für „Bagger ohne Bediener“). Nun soll die Autonomiefähigkeit auf weitere Maschinen übertragen und noch flexibler, leistungsfähiger sowie leichter handhabbar gemacht werden.

Umgebungswahrnehmung des autonomen Baggers IOSB.BoB


Die beiden beteiligten Institute am KIT (Institut für Anthropomatik und Robotik und Institut für Technologie und Management im Baubetrieb) liefern mit ihrer Forschung Beiträge zu allen Problemstellungen in ROBDEKON. Am Lehrstuhl für Hochperformante Humanoide Technologien (H²T) und im Forschungslabor für ­Intelligente Prozessautomation und Robotik (IPR) werden Robotersysteme entwickelt, die verstrahlte und verunreinigte Oberflächen oder Anlagenteile reinigen bzw. abbauen können. Zudem erarbeiten sie Methoden zur 3D-Umgebungs­erfassung, zur Inspektion des Arbeitsumfelds und zur Planung und Ausführung von Dekontaminationsaufgaben. Zusätzlich programmieren sie die notwendige Steuerungssoftware.
Überwacht und gesteuert werden die Robotersysteme mit Techniken der Telepräsenz, die am Lehrstuhl für Intelligente Sensor-Aktor-Systeme (ISAS) entwickelt werden. Dabei vertritt ein sogenannter Teleoperator, etwa ein Roboter, den Nutzer vor Ort in gegebenenfalls weit entfernten lebensfeindlichen Umgebungen. Der Teleoperator kann beispielsweise Kopfbewegungen des Nutzers nachvollziehen und dann entsprechende Kamerabilder so übertragen, als befände sich der Nutzer in eben jener entfernten Umgebung. Insgesamt wird ein möglichst hoher Autonomiegrad der Roboter angestrebt, die Verfahren der Telepräsenz sind jedoch dennoch notwendig, um z. B. bei besonders schwierigem Gelände oder komplexen Aufgaben aus der Ferne eingreifen zu können. Außerdem werden am ISAS Verfahren untersucht, um die Verteilung und Intensität der Schadstoffbelastung zu messen und zu visualisieren.
Das Institut für Technologie und Management im Baubetrieb (TMB) stellt ein Living-Lab bereit, in dem die Roboter in verschiedenen realistischen Umgebungen getestet und für die Arbeit in Kernkraftwerken vorbereitet werden. Darüber hinaus wird am TMB an einem speziellen Roboter gearbeitet, der insbesondere Beton­oberflächen auf gefährliche Verunreinigungen untersuchen und diese schließlich beseitigen kann. Außerdem untersuchen die Wissenschaftler, wie die neuen Methoden und Geräte ganz praktisch auf Deponien oder belasteten Arealen eingesetzt werden können.
Das Projekt wird seit Juni 2018 für vier Jahre vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Ziel ist jedoch ein langfristiges Fortbestehen des Kompetenzzentrums darüber hinaus.

* MANIPULATOR
ist in der Robotik das Gerät, das die physikalische Interaktion mit der Umgebung ermöglicht, also der bewegliche Teil des Roboteraufbaus, der die mechanische Arbeit des Roboters durchführt. Dies kann eine Baggerschaufel oder der Arm eines Industrieroboters sein. Typische Manipulieraufgaben sind z. B. Schweißen, Zerteilen oder Gravieren.

* TELEPRÄSENZ
Beschreibt den Zustand, sich in einer entfernten Umgebung anwesend zu fühlen. Dies geschieht in der Regel durch einen Teleoperator, der sich in dieser entfernten Umgebung befindet und Kamerabilder an die Person sendet. Bewegt die Person den Kopf, ändert sich auch das Kamerabild entsprechend. Somit verbindet die Telepräsenz die drei Prinzipien Robotik, Telekommunikation und Virtual Reality.
* INDUSTRIEPARTNER DES PROJEKTS

  • Götting KG
  • Kraftanlagen Heidelberg GmbH
  • ICP Ingenieurgesellschaft Prof. Czurda und Partner mbH
  • KHG Kerntechnischer Hilfsdienst GmbH

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