Dr. Rainer Jäkel ist Gewinner des Innovationspreises der "Technology Review". Der promovierte Ingenieur ist CTO und Mitbegründer der ArtiMinds Robotics GmbH, ein Unternehmen, das Software zur intuitiven Roboterprogrammierung entwickelt. Darüber hinaus engagiert er sich als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Karlsruher Institut für Technologie im Bereich Robotik. In einem E-Mail-Interview hat er Fragen beantwortet über die Programmierung von Robotern, Industrie 4.0 und Daten in der Smart Factory.

Beschreiben Sie bitte kurz die Arbeit für die Sie ausgezeichnet wurden.
Das Thema meiner Forschungsarbeit ist die intuitive Programmierung von Robotersystemen, wobei der Fokus auf dem Lernen alltäglicher Haushaltsaufgaben mit menschenähnlichen Servicerobotern lag. Aus Sicht des Roboters sind solche Aufgaben schwierig: Die Aufgabe muss mit verschiedenen Gegenständen in immer unterschiedlichen Situationen ausgeführt werden. Industrielle Programmiertechniken schlagen hier größtenteils fehl, da sie nicht flexibel genug sind. In meiner Forschungsarbeit habe ich ein neuartiges Bewegungsmodell entwickelt, das eine hohe Flexibilität in der Ausführung der Aufgaben ermöglicht und gleichzeitig unter Einsatz maschineller Lerntechniken intuitiv erzeugt werden kann. Grundlage sind mehrere Demonstrationen der Aufgabe durch einen Menschen, wobei dieser die Aufgabe ohne Roboter durchführen kann, d.h. mit seinen eigenen Händen. Das Modell wird zunächst automatisch erzeugt und anschließend unter Einsatz neuartiger Bahnplanungs- und Optimierungstechniken automatisch angepasst, wodurch es mit unterschiedlichen Objekten und auf unterschiedlichen Robotern ausgeführt werden kann. Dabei werden relevante Unterschiede zwischen Mensch und Roboter, z.B. in den Händen, automatisch berücksichtigt sowie die relevanten Merkmale der Roboterbewegung automatisch bestimmt, was normalerweise nur Experten mit sehr viel Erfahrung in maschinellen Lerntechniken einstellen können. Da nur die relevanten Merkmale erfasst und damit auch vom Roboter reproduziert werden, kann der Roboter mit einer hohen Flexibilität auf Veränderungen reagieren, wie z.B. das Verschieben von Gegenständen.

Wo sah die Jury beziehungsweise wo sehen Sie hier das Zukunftspotenzial?
Roboterarme, wie man sie z.B. aus der Produktion im Automotivebereich kennt, sind vielfältige Werkzeuge, die für sehr unterschiedliche Aufgaben eingesetzt werden können. Nichtsdestotrotz wird ein Großteil der Produktionsaufgaben noch manuell durchgeführt. Einer der Hauptgründe ist der hohe Programmieraufwand, der den Einsatz von Robotern in vielen Fällen unwirtschaftlich machen. Durch intuitive Programmiertechniken verringern sich einerseits die Anforderungen an den Programmierer, der keine Dreifachausbildung mehr benötigt in Robotik, Programmierung und der durchzuführenden Aufgabe. Andererseits verringert sich die notwendige Zeit für die Programmierung. Wodurch Kosten gesenkt werden und die Vorteile automatischer Fertigung, wie z.B. gleichbleibenden Qualität und hohe Präzision, auf weitere Bereiche übertragen lassen. In Zukunft wird die Produktion an Flexibilität gewinnen, d.h. Aufgaben ändern sich häufiger sowie die Produktionszyklen werden kleiner. Durch intuitive Programmiertechniken kann die Roboterprogrammierung mit diesem Trend schritthalten. Mit langjährigen Kollegen zusammen entwickele ich aktuell in dem Startup ArtiMinds Robotics GmbH (www.artiminds.com) eine leistungsfähige Software zur intuitiven Roboterprogrammierung. Dabei werden die erzielten Forschungsergebnisse auf industriell eingesetzte Eingabemethoden angepasst, d.h. Teach-In oder alternativ CAD-Software.

Warum ist Ihre Arbeit vor dem Hintergrund „Industrie 4.0“ wichtig? Beschreiben Sie bitte künftige Einsatzgebiete Ihrer Programmierung.
Aktuell sind Leichtbauroboter auf dem Vormarsch, d.h. Roboter mit geringem Gewicht, oftmals günstigem Preis und integrierter Sensorik. Durch das geringe Gewicht können Leichtbauarme flexibel in der Produktion eingesetzt werden. Einige Systeme, wie z.B. der UR5, sind dabei bereits für die Kollaboration mit dem Menschen ausgelegt, d.h. sie können ohne Sicherheitszaun in der Produktion eingesetzt werden. Das verringert Einrichtungskosten, -zeit und Platzbedarf. Die Idealvorstellung ist die Integration von Mensch und Roboter in den Arbeitsprozess. Der Mensch muss dazu in der Lage sein, intuitiv und schnell den Roboter umzuprogrammieren. Wichtige Einsatzgebiete sind dabei z.B. Kleinserien, die entweder automatisch montiert und deren Qualität maschinell überprüft werden soll. Einfache Montageaufgaben, die eine Reaktion auf Kräfte und damit eine gewisse Flexibilität erfordern, sind ebenfalls wichtige Anwendungsfelder, da sie heutzutage fast ausschließlich textuell programmiert werden. Ein weiteres Beispiel sind klassische Automatisierungslösungen, die durch einfache Roboterarme ersetzt werden können - allerdings mit komplexerer Programmierung.  

Aktuell ist überall zu lesen, dass Industrie 4.0 ein Thema ist, das vor allem den Menschen braucht. Sie entwickeln bessere Roboter. Wie geht das zusammen?
Intuitive Programmiertechniken werden optimal die hohe Flexibilität der Produktion unterstützen, die bei Industrie 4.0 prognostiziert wird. Dabei können neben klassischer Aufgabenteilung auch die direkte Kollaboration mit dem Menschen umgesetzt werden. Beispielsweise montiert ein Roboterarm nach kurzer Programmierung mehrere Teile eines Werkstücks, während der Mensch zeitgleich die Feinjustage und Nachbearbeitung übernimmt. Faude hat bereits ein erstes Beispiel umgesetzt, bei dem der Mensch durch den Einsatz eines Leichtbauarms von anstrengenden Körperhaltung bei Montagearbeiten befreit wird.

Eine Frage mit einem gewissen Eigennutz: Wir haben natürlich immer die Datenbrille auf, wenn es um Industrie 4.0 geht. Wo fallen bereits jetzt in der roboterunterstützten Produktion Daten an, wie werden diese ausgewertet und wie könnten diese in Zukunft ausgewertet werden?
Vereinzelt werden bereits Daten über den roboterunterstützen Produktionsprozess gespeichert, um z.B. Abweichungen im Endprodukt auf Unregelmäßigkeiten im Produktionsprozess zurückzuführen. Im Bereich der automatischen Inspektion werden prinzipiell verschiedene Kenngrößen, z.B. Position des Roboters, gemessene Kräfte oder visuelle Daten erhoben und oftmals mit aufgabenspezifischen Algorithmen ausgewertet. Mit zunehmender Flexibilität in allen Prozessschritten wird die Nachvollziehbarkeit des Produktionsprozess eine wichtige Rolle spielen und allgemeingültige Analysetechniken erfordern, z.B. wo traten Probleme auf und wie wurden diese kompensiert.

Vielen Dank für das Interview.