Wie KI die Entwicklung autonomer Roboter fördert

Autor / Redakteur: Mark Patrick * / Margit Kuther

„Roboter in Menschenform“, wie Isaac Asimov sie nannte, verfügen über eine Intelligenz, die das menschliche Denkvermögen bei Weitem übertrifft. Lesen Sie mehr über die faszinierende Vision.

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Roboter in Tiergestalt: Autonome Roboter wie das Modell LS3 von Boston Dynamics erobern auch raue Umgebungen.
Roboter in Tiergestalt: Autonome Roboter wie das Modell LS3 von Boston Dynamics erobern auch raue Umgebungen.
(Bild: Boston Dynamics)

Die Fertigungsindustrie erkannte sehr früh den praktischen Nutzen von Robotern in der realen Welt. Doch die Roboter, die in Produktionsstraßen auftauchten, unterschieden sich deutlich von ihren literarischen Vorbildern. Ihnen fehlte nicht nur jede Intelligenz, sie hatten auch keine Menschengestalt. Die erste Generation von Robotern sollte einfache Aufgaben besonders schnell und präzise ausführen. Durch ihren Einsatz für besonders mühsame und repetitive Arbeitsschritte konnten erhebliche Fortschritte bei der Effizienz und der Fertigungsqualität von Produktionsstraßen erreicht werden. Roboter in Menschenform waren dazu weder nötig noch vorteilhaft.

Autonome Roboter interpretieren Signale ihrer Umgebung

Die technische Entwicklung wurde jedoch weiter vorangetrieben. Roboter auf dem heutigen Entwicklungsstand haben weit mehr Fähigkeiten als die stummen Maschinen der 1960er Jahre. Die Fähigkeiten der Roboter aus Asimovs Gedankenspielen haben sie zwar noch immer nicht erreicht, aber sie können selbständig handeln. Moderne Roboter verfügen nicht über echte künstliche Intelligenz – sie sind sich ihrer selbst nicht bewusst –, aber sie können eine breite Palette von Signalen aus ihrer Umgebung interpretieren und auf sie reagieren. Sie können bei der Erfüllung ihrer Aufgaben ihr Verhalten an die Umgebung anpassen. Für ihr in diesem Sinne autonomes Handeln wenden sie eine Form künstlicher Intelligenz an, das sogenannte maschinelle Lernen.

Weil parallel in mehreren technischen Entwicklungsfeldern große Entwicklungssprünge gelungen sind, konnten die Fähigkeiten von Robotern der neuen Generation auf ein neues Niveau gehoben werden. Das Herzstück der neuesten Systeme sind enorm leistungsfähige elektronische Bauelemente. Diese allein wäre jedoch nutzlos ohne die Fortschritte bei anderen Technologien, von Datenverbindungen per Funk und Sensoren bis hin zu Akkus und Motoren.

Sensoren, Akkus und Steckverbinder

Entscheidend für den Erfolg autonomer Roboter ist die Kombination mehrerer leistungsfähiger Systeme. Autonome Roboter sammeln und verarbeiten Daten und Signale aus einer Vielzahl von Quellen, um den eigenen Status zu überwachen, die Umgebung zu beurteilen und die anstehenden Aufgaben zu analysieren. Für diese und weitere Zwecke benötigen autonome Roboter Sensoren.

Sensoren in modernen Robotern reichen von Kameras mit Bilderkennung bis hin zu Lidar-Sensoren (Light Direction and Ranging) und sogar Hall-Effekt-Sensoren. Sind in bewegungsfähigen Maschinen viele Systeme dieser Art montiert, werden Steckverbinder und Kabel für den Austausch großer Mengen digitaler Daten benötigt.

Viele der Innovationen der neuesten Robotergeneration wurden durch Fortschritte in der Akkutechnologie ermöglicht. Dank leichter Akkus mit hoher Kapazität können moderne Roboter über lange Zeiträume ferngesteuert arbeiten. Dabei kommen hocheffiziente Motoren zum Einsatz. Weil die Stromversorgung von Roboterkomponenten aufwendig verwaltet werden muss, sind auf Leiterplatten (PCBs) montierte Stromanschlüsse in den letzten Jahren immer wichtiger geworden.

Gewicht reduzieren gilt auch für Roboter

Jede Komponente eines Roboters trägt zum Gesamtgewicht bei. Das Thema Gewicht ist nicht nur bei Flugzeugen und Rennwagen relevant, sondern bei allen Arten bewegter Maschinen, und damit auch bei autonomen Robotern. Bei bewegten Maschinen, die für ihre Stromversorgung eigene Akkus mitführen, stehen Gewicht und Leistungsfähigkeit in einem engen Zusammenhang. Das Gewicht kann bei solchen Maschinen als „Fähigkeit“ betrachtet werden. Jeder Einsparungserfolg beim Gewicht führt zu verbesserten Fähigkeiten in anderen Bereichen.

Am naheliegendsten ist es, an den Stromverbrauch zu denken. Denn für das Bewegen einer Maschine mit geringerem Gewicht wird weniger Energie benötigt. Aber auch andere Vorteile können im Mittelpunkt stehen. Die Verringerung des Maschinengewichts führt zu einer größeren Nutzlast und damit zu höherer Effizienz. Bei Bedarf können durch Nutzlastverzicht größere Akkus mit höherer Kapazität mitgeführt werden, um die Reichweite oder Arbeitsdauer des Roboters zu vergrößern. Wahlweise könnten auch zusätzliche (oder leistungsfähigere) mechanische Systeme montiert werden, um den Roboter effektiver zu machen. Jedes dieser Ergebnisse ist wünschenswert.

Oft werden bei höherer Leistungsfähigkeit mehr Anschlüsse für die Stromversorgung und Kommunikation benötigt. Jeder zusätzliche Sensor erfordert eine zusätzliche Datenverbindung. Jede Erhöhung der Leistungsaufnahme erfordert dickere Leitungen. Deshalb sollte bereits bei der Konstruktion von Robotern besondere Aufmerksamkeit den Steckverbindern gewidmet werden.

Steckverbinder müssen in einer Vielzahl von Umgebungen zuverlässig funktionieren. Fahrzeuge und Roboter werden zunehmend so konstruiert, dass sie ihre Aufgaben auch unter widrigen Umgebungsbedingungen erfüllen können. Ob es sich um eine Drohne handelt, die Such- und Rettungsaktionen über einer stürmischen Küste durchführt, oder um einen mehrbeinigen Roboter, der medizinische Hilfsgüter in ein Katastrophengebiet bringt – von der fehlerfreien Funktion dieser Maschinen können Menschenleben abhängen. Selbst autonome Roboter in der klimatisierten Umgebung einer Fabrikhalle müssen auf Gefahren vorbereitet sein, denen sie bei ihrer täglichen Arbeit begegnen können.

Die Steckverbinder solcher Maschinen müssen rauen Umgebungsbedingungen standhalten und gleichzeitig Daten mit immer höheren Raten übertragen. Die neueste Generation autonomer Roboter muss Informationen mit Geschwindigkeiten verarbeiten, die noch vor Kurzem ausschließlich in Rechenzentren und bei Großrechnern erreicht wurden. Systeme dieser Leistungsfähigkeit waren bisher nicht für den Einsatz unter realen Umgebungsbedingungen ausgelegt.

Problem bekannt aus der Automobilindustrie

Dies Art von Problem ist auch aus der traditionellen Automobilindustrie bekannt. Im Zuge der Weiterentwicklung von Personenfahrzeugen wurden auch neue Datenstecker entwickelt, die selbst bei starken Vibrationen und Stößen zuverlässig Daten übertragen.

Konstrukteure der neuesten autonomen Roboter können sich diese neuen Verbindungsprodukte zunutze machen. Hersteller wie Amphenol, TE und Molex sind sehr aktiv in der Fahrzeugfertigung und stellen Steckverbinder her, die eine hohe Leistung in diesem anspruchsvollen Bereich bieten und häufig die gängigen USCAR-2-Normen erfüllen. Steckverbinder für die Automobilindustrie weisen oft genau die Eigenschaften auf, die auch für autonome Roboter benötigt werden: geringes Gewicht, kompakte Bauform und hohe Zuverlässigkeit.

Einige Hersteller arbeiten sogar mit besonderer Intensität daran, ihren Kunden zusätzliche Sicherheit zu bieten. Samtec hat ein Programm mit der Bezeichnung Severe Environment Testing (SET) eingeführt, bei dem Hochgeschwindigkeitssteckverbinder Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, die über die üblichen Industrienormen hinausgehen. Produkte wie der SEARAY™High-Density-Array-Steckverbinder werden bei Belastungstests starken Stößen und Vibrationen, 100 % Luftfeuchtigkeit und extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt, so dass sich Kunden auf zuverlässige Funktion selbst unter anspruchsvollsten Umgebungsbedingungen verlassen können.

Autonome Roboter der Zukunft

Von der breiten Einführung vollständig empfindungsfähiger Roboter, die Science-Fiction-Gedankenspielen nahe kommen könnten, sind wir noch einige Zeit entfernt. Autonome Roboter sind jedoch bereits heute Wirklichkeit. Die Vorteile von Robotern, die unter schwierigen Bedingungen ohne direkte menschliche Aufsicht arbeiten können, werden von vielen Industriezweigen in der Praxis genutzt.

Selbst die allgemeine Öffentlichkeit ist mittlerweile zum Beispiel gut vertraut mit dem Einsatz unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs), besser bekannt als Drohnen. Sie bieten einzigartige Möglichkeiten der Luftüberwachung zu einem Bruchteil der Kosten von Großflugzeugen und ohne die damit verbundenen Vorschriften. Strafverfolgungsbehörden, Rettungsdienste und sogar die Landwirtschaft können von „Augen am Himmel“ profitieren, die in Echtzeit Aufnahmen großer Landflächen übermitteln.

Aber nicht nur in der Luft, sondern auch auf dem Boden werden Anwendungsfelder für autonome Roboter erschlossen. Marktfähige Robotermodelle reichen von niedlich-freundlichen Lebensmittel-Lieferrobotern bis zu geländegängigen Logistikfahrzeugen für militärische Zwecke. Alle diese Varianten haben eines gemeinsam: den hohen Konnektivitätbedarf. Damit die autonomen Systeme funktionieren können, müssen sehr viele Sensoren, Antriebe und Prozessoren untereinander vernetzt werden.

Ganz gleich, ob Sie einen Roboter entwickeln, der innerhalb von 30 Minuten eine Pizza ausliefert, oder einen komplexen robotischen Rettungshelfer: Steckverbinder sind entscheidende Konstruktionselemente.

* Mark Patrick ... ist Technical Marketing Manager EMEA bei Mouser Electronics

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