Das Fraunhofer IPA adressiert typische Einstiegshürden beim Einsatz humanoider Roboter, darunter beispielsweise funktionale Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. (Quelle: Fraunhofer IPA / Foto: Rainer Bez)
Humanoide Roboter – Status quo, Potenziale und Forschungstätigkeiten (Teil 3 von 3)
Humanoide sind medial omnipräsent, in realen Anwendungen aber noch selten. Das Fraunhofer IPA erprobt Einsatzmöglichkeiten für diese neuen Roboter in Unternehmen und schafft so eine fundierte Wissensgrundlage für Investitionen. Der Fokus liegt auf der Anwendungsentwicklung mithilfe von Künstlicher Intelligenz, Wirtschaftlichkeit und funktionaler Sicherheit.
Im dritten und letzten Teil des Artikels geht es darum, wie die identifizierten Einsatzhürden konkret adressiert werden können und was sich hierfür in der Anwendungsentwicklung am Fraunhofer IPA tut. Der Fokus liegt insbesondere darauf, wie sich ein sicherer Einsatz umsetzen lässt, wie finanzielle Fragen angegangen werden und wie die Programmierung perspektivisch massiv vereinfacht werden könnte.
Die ersten Teile verpasst?
Macht nichts! Sie können die Texte hier nachlesen:
Aufbauend auf fundierten Kenntnissen über den Markt, die vorhandenen Technologien und die Bedarfe von Anwenderseite (siehe die vorherigen Artikelteile) bearbeitet der Automatisierungsbereich vielfältige Themen, um humanoide Roboter reif(er) für den industriellen Einsatz zu machen und bietet umfangreiche Unterstützung für Hersteller, Integratoren und Endanwender. Ein wichtiges Projekt in diesem Kontext war »KMUmanoid«, ebenfalls gefördert vom Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg.
Es nutzte die Ergebnisse der Studie und hatte insbesondere das Ziel, Humanoide auch für den Mittelstand zugänglicher zu machen und Wissensgrundlagen bereitzustellen. Weitere Entwicklungen entstehen am neuen Fraunhofer-Standort Heilbronn: Im Rahmen der dortigen Fraunhofer Forschungs- und Innovationszentren HNFIZ leitet das Fraunhofer IPA das FIZ »KI-basierte Robotik«. Auch dort geht es zu großen Anteilen um die Weiterentwicklungen von Technologien, die nicht ausschließlich, aber vermehrt auch für humanoide Roboter nutzbar sind. Konkret arbeitet das Fraunhofer IPA an den folgenden Forschungsfeldern.
Wirtschaftlichkeit
Die Wirtschaftlichkeitsrechnung eines humanoiden Roboters entspricht einem klassischen Roboter. Es sind drei wesentliche Einflussfaktoren: die Anschaffungskosten, die Produktivität im Vergleich zu einer menschlichen Fachkraft sowie der erforderliche Engineering-Aufwand für einen spezifischen Automatisierungsprozess beziehungsweise konkreten Einsatz. Die Anschaffungskosten sind dabei stark modellabhängig. Je nach Ausstattung, Größe, und Robustheit liegen diese derzeit zwischen etwa 10.000 und 150.000 Euro pro humanoidem Roboter. Durch das enorme Marktpotenzial humanoider Roboter ist mit starken Skalierungseffekten und damit sinkenden Stückpreisen zu rechnen.
In Bezug auf die Produktivität ist derzeit davon auszugehen, dass humanoide Roboter grob die halbe Leistungsfähigkeit eines Menschen erreichen. Demgegenüber steht jedoch das Potenzial eines mehrschichtigen Betriebs, wodurch ein humanoider Roboter am Ende des Tages mehr Arbeit verrichtet haben kann. Entscheidend für einen wirtschaftlichen Einsatz ist daher die Auswahl geeigneter Tätigkeiten, die nicht zeitkritisch oder eng getaktet sind, sodass Roboter trotz geringerer Geschwindigkeit eine hohe Auslastung erzielen können.
Ein neues Phänomen ist tatsächlich die Teleoperation, was die Wirtschaftlichkeit von humanoiden in ein anderes Licht rückt. Dieser Aspekt hat mehrere Facetten:
- Der humanoide Roboter verrichtet seine Arbeit beispielsweise in einem Hochlohnland und wird hierbei von einem Menschen in einem Niedriglohnland gesteuert.
- Gleichzeitig werden wertvolle Traningsdaten für »Robotics-Foundation-Modelle« generiert.
- Mit zunehmenden Autonomiegrad kann ein Mensch mehrere Roboter gleichzeitig bedienen.
Der Engineering-Aufwand stellt die volatilste der betrachteten Variablen dar, da er in hohem Maße von der jeweiligen Anwendung und den spezifischen Rahmenbedingungen abhängt. Aktuell ist das Training mit einem enormen Aufwand für jede spezifische Aufgabe verbunden. Wenn es jedoch mehr vergleichbare Implementierungen und eine wachsende Erfahrungsbasis gibt, sollte die Inbetriebnahme einfacher und kostengünstiger werden. Neben den initialen Investitionskosten sind zudem wie bei Robotern üblich laufende Aufwendungen für Energieversorgung und Wartung zu berücksichtigen.
Um Unternehmen einen Ausblick auf die derzeitigen und zukünftigen Kostenstrukturen zu geben, wurden drei Anwendungsszenarien analysiert und eine Amortisationsrechnung für Materialtransport, Kommissionieren von Aufträgen im Lager und einen Montageprozess durchgeführt. Während aktuell aufgrund hoher Investitions- und Trainingskosten häufig noch keine Wirtschaftlichkeit gegeben ist, können erste Anwendungen in den kommenden Jahren bereits rentabel sein. Wenn Sie hier Interesse an genaueren Analysen haben, kontaktieren Sie uns gern.
Beispielhaft angedeutet: Unter der Annahme, dass ein Roboter 120 000 Euro kostet, sind theoretisch Stundensätze von 15 Euro machbar. Entscheidend ist dabei auch, dass nicht Äpfel mit Birnen verglichen werden, denn die Produktivität des Roboters erreicht aktuell noch nicht die eines Menschen, sondern nur ca. ein Drittel bis die Hälfte. Wird Teleoperation benötigt, damit der Roboter die Aufgabe ausführen kann, kommen zusätzliche Stundenkosten für den Teleoperator hinzu.
Sicherheit
Der Einsatz humanoider Roboter birgt ein hohes Risiko durch Kollisionen, insbesondere in der Nähe von Menschen. Am Fraunhofer IPA wurden hierfür umfangreiche Sicherheitstests durchgeführt. Sie ergaben, dass der G1 im schlechten Fall mit Kräften bis zu 500 Newton auf Menschen einwirken kann. Das übersteigt die zulässigen Kräfte für einen Betrieb nahe dem Menschen deutlich und kann zu ernsthaften Verletzungen führen.
Aktuelle Sicherheitstechnologien entsprechen oft nicht dem Standard stationärer kollaborativer Roboter und müssen erprobt werden. Zudem berücksichtigen bestehende Normen diese Roboterart bislang nicht ausreichend.
Die ISO TC 299 Working Group 12 unter dem Titel »Safety requirements for dynamically stable industrial mobile robots (with legs, with wheels or other types of locomotion)« widmet sich aber bereits dem Thema. Sie wurde Anfang 2025 ins Leben gerufen und hat bereits zwei Mal dieses Jahr getagt. Vertreter aller überwiegend in Europa und Amerika ansässigen Hersteller humanoider Roboter sind darin aktiv. Allerdings ist voraussichtlich erst 2028 mit einem neuen Standard zu rechen. Generell sollte der Einsatz humanoider Roboter deshalb stets von einer Beratung durch Sicherheitsfachleute begleitet werden.
Für Anwender und Integratoren sind einige Empfehlungen wichtig: Große Abstände zwischen Mensch und Roboter sollten eingeplant werden, und eine konservative Einrichtung des Roboters in Kombination mit Risikominderungsmaßnahmen ist ratsam. Zudem ist es entscheidend, alle Personen, die mit dem Roboter in Kontakt kommen könnten, umfassend zu schulen.
Hersteller sollten sich an bestimmten Richtlinien orientieren: Sicherheitsfunktionen sollten an verfügbaren Standards ausgerichtet sein, und es sollten mehrere Sensoren sowie Sensorfusion eingesetzt werden. Die Integration von Cobot-Sicherheitsfunktionen wie Achsgeschwindigkeiten und Kraftbegrenzungen ist ebenfalls wichtig. Das Team des Fraunhofer IPA empfiehlt, mehrere Maßnahmen stufenweise zu kombinieren, um die Sicherheit im Umgang mit humanoiden Robotern zu gewährleisten. Nicht zuletzt können auch hier Augemented-Reality-Technologien helfen, beispielsweise Schutzräume oder Gefahrenzonen visuell erlebbar zu machen.
Datenverfügbarkeit für eine einfache Programmierung
Potenzielle Anwender versprechen sich von Humanoiden vor allem eine besondere Flexibilität bei der Aufgabenausführung. Um diese zu gewährleisten, kommt aber die klassische »starre« Roboterprogrammierung nicht infrage. Stattdessen braucht es Technologien, die Humanoiden eine autonome(re) Aufgabenausführung ermöglichen. Grundlage hierfür sind reale Daten. Sie eröffnen Lernprozesse basierend auf Imitation oder Reinforcement Learning sowie Foundation-Modellen und erweitern so den Autonomiegrad der Roboter.
Die aktuelle Forschung beschäftigt sich in diesem Kontext damit, Robotern ein sogenanntes »Weltmodell« bereitzustellen, also ihnen ein generelleres Verständnis von ihrem Umfeld und ihrer Aufgabe zu geben, eine Alltagsintelligenz. Hierfür entstehen aktuell viele »Vision-Language-Action-Modelle« (VLAM), die Sensordaten aus der Bildverarbeitung, Spracheingabe und Handlungsvorgaben verarbeiten, auswerten und darauf basierend eine Aktion planen können. VLAMs sorgen auf Prozessebene dafür, dass ein Roboter eine bestimmte Aufgabe ausführen kann, also entsprechend gesteuert wird.
Hierfür werden teleoperierte Vorgänge und Datenfabriken immer entscheidender. Auch hier hat China bereits vorgelegt. In diesen Firmen werden anwendungsspezifisch große Datensätze generiert, die dann für neue Anwendungen nutzbar sind. Ein Beispiel ist Open X-Embodiment, das einen Datensatz mit über einer Million Roboterbewegungen umfasst, bestehend aus 527 Fähigkeiten von 22 verschiedenen Robotern resultierend aus einer Zusammenarbeit zwischen 21 Institutionen.
Am Standort in Heilbronn und genauer: in den IPAI Spaces, denn seit Oktober ist das Institut Mitglied im KI-Ökosystem IPAI, arbeitet das Fraunhofer IPA insbesondere an zwei Themen. Das erste sind die Roboterhände. Zwar bleibt die menschliche Hand aktuell unübertroffen in ihrer Vielseitigkeit. Doch neue KI-basierte Software, insbesondere die Nutzung der genannten Foundation-Modelle, soll verfügbare Roboterhände für Produktions- und Logistikabläufe flexibler einsetzbar machen. Das zweite Thema ist die intelligente mobile Manipulation. Denn die Kombination von Greiffunktionen mit mobilen oder humanoiden Robotern erweitert deren Aktionsradius und fokussiert sich auf Technologien mit minimalem Programmieraufwand, wie beispielsweise Imitation Learning oder Teleoperation als Grundlage für autonome Aufgabenausführung.
»Embodied AI« - Humanoide verleihen der KI einen Körper
All die beschriebenen Entwicklungsarbeiten lassen sich unter dem Stichwort einer »Embodied AI«, also der Verkörperung einer KI subsummieren. Dieser Körper kann, muss aber nicht notwendigerweise ein humanoider Roboter sein. Er ist vielmehr nur die Spitze des Eisbergs, wenn es um die Integration von KI in Maschinen geht. Das Fraunhofer IPA verfolgt dieses Thema mit hoher strategischer Priorität. Dabei geht es darum, KI nicht nur als Zusatzfunktion oder Beiwerk in Maschinen zu bringen, sondern beides als einheitliches System zu planen, umzusetzen und in die unternehmerische Praxis zu bringen.
Humanoide können eine solche Maschine sein. Und selbst wenn diese Technologie als Ganzes noch Zeit braucht, bis sie flächendeckender eingesetzt werden kann, so profitiert die »klassischere« Robotik aktuell bereits ebenfalls massiv von den Fortschritten, die rund um Humanoide passieren. Alltagsintelligenz, höhere Autonomie und Flexibilität sowie reduzierte Aufwände rund um das Engineering, Inbetriebnahme und Umrüstung sind essenzielle Faktoren, wenn es um gleichermaßen anspruchsvolle wie wirtschaftliche Automatisierungslösungen geht. Das Fraunhofer IPA begleitet Unternehmen bei allen Fragen hierzu von der ersten Ideenfindung bis zur Umsetzung ganzer Maschinen und Anlagen.
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Hier finden Sie unser Beratungs- und Entwicklungsangebot rund um humanoide Roboter.
Ihre Ansprechpartner
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Werner Kraus
Forschungsbereichsleiter Automatisierung und Robotik
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