Autonome Maschinen

Autonome
Maschinen
Factsheet Innovationsfeld
Die Roboter kommen
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Autonome Maschinen beschreiben – vereinfacht definiert – intelligente Geräte, die anspruchsvolle
Aufgaben ohne detaillierte Programmierung und ohne menschliche Kontrolle unter nicht vollständig
definierten Rahmenbedingungen durchführen. Sie sind in der Lage, ihr Verhalten untereinander zu
koordinieren, um gemeinsam Aufgaben zu lösen.
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Ein wichtiger Anwendungsfall für Autonome Maschinen ist die nahtlose Integration von
Wertschöpfungsschritten in hochautomatisierten und gleichzeitig hochflexiblen Fabriken. Der
Paradigmenwechsel weg von der Massenfertigung und hin zu individualisierten Produkten ist in vollem
Gang. Die Grundlagen bilden die Kommunikation von autonomen Maschinen untereinander und neue
Architekturen in der Automatisierung, die auf Modulen aufbauen. Autonome Maschinen werden schon
jetzt mit Technologien der Künstlichen Intelligenz wie Deep Learning ausgestattet, was ihre Fähigkeit zu
selbstständigem Handeln immer weiter erhöht.
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Autonome Maschinen sind bereits heute ein Multi-Milliarden-Euro-Geschäft, und dieses Industriesegment
wächst rasant. Das gilt vor allem für die Robotik: Innerhalb weniger Jahre werden sich die weltweiten
Ausgaben von Unternehmen und Privatpersonen für Roboter mehr als verdoppeln. Nach Schätzungen
des Beratungsunternehmens The Boston Consulting Group wird der Robotikmarkt bis zum Jahr 2025 auf
ein Volumen von weltweit mehr als 67 Milliarden Dollar wachsen. Der darin enthaltene Anteil von
Robotern mit autonomen Funktionen („Advanced Robotics“) ist zwar noch klein, jedoch ein wesentlicher
Wachstumstreiber. Die meisten Neugründungen von Unternehmen, die in diesem Bereich tätig sind,
befinden sich in den USA, in Großbritannien und in Frankreich.
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Ein flächendeckender Einsatz von autonomen Maschinen – so die einhellige Erwartungshaltung in der
Wissenschaft – wird die Installations- und Rüstkosten reduzieren und die Markteinführungszeiten neuer
Produkte deutlich verkürzen.
Advanced Robotics
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Der Siegeszug der autonomen Roboter ist unaufhaltsam, weil sie, anders als automatisierte Systeme, die
sich durch akribisch programmierte Wiederholungen von Bewegungsfolgen auszeichnen, selbst
entscheiden und eigenständig handeln können. Ganz gleich, ob es sich um Industrie- oder
Serviceroboter oder um Drohnen handelt – sie alle haben die Fähigkeit, Informationen in einem sich
verändernden Umfeld zu erfassen und zu verarbeiten.
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Autonome Roboter werden eine Schlüsselrolle in der Umsetzung von Industrie 4.0 spielen. Als extrem
flexibles Produktionselement sind ihren Einsatzmöglichkeiten keine Grenzen gesetzt. Autonome Roboter
werden beispielsweise Montagearbeiten verrichten und selbstständig entscheiden, wie die zu
montierenden Teile zusammengehören.
Frei verwendbar © Siemens AG 2016
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Um mit und neben Menschen arbeiten zu können, brauchen Roboter in Zukunft ausgereifte Systeme, die
sie in die Lage versetzen, Gefahrensituationen zu erkennen und beispielsweise auszuweichen oder sich
selbst sofort in einen für Menschen sicheren Zustand zu versetzen. Nur so können Roboter aus ihren
„Sicherheitskäfigen“, in denen sie heute zum Schutz der Menschen arbeiten, herausgeholt werden. Es
gibt zwar bereits Lösungen, doch die sind noch teuer und aufwendig. Experten gehen davon aus, dass
beispielsweise die neuen und wesentlich preisgünstigeren 3-D-Kameras, die bald auf den Markt
kommen, in Kombination mit fortschrittlichen Bildverarbeitungstechnologien große Entwicklungsschübe
auslösen werden.
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Eine weitere Herausforderung ist die Komplexität der mechanischen Systeme. Bei einem Roboter eine
ähnliche Flexibilität wie bei einem Menschen zu erreichen ist ein sehr schwieriges Unterfangen. So stellt
allein die Nachbildung der menschlichen Hand-Auge-Koordination eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe
dar, an der viele Start-ups forschen. Andere bringen Robotern bei, auf rutschigem oder schrägem
Untergrund zu laufen oder Treppen zu steigen.
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Die Herausforderungen sind immens, doch eine weltweite Robot-Community arbeitet in Start-ups und
Forschungseinrichtungen intensiv an verschiedenen Lösungen. Siemens ist bereits in viele Aktivitäten
eng eingebunden. Das Unternehmen will aber seine Anstrengungen deutlich ausweiten und im Rahmen
der neuen Unternehmenseinheit next47 einen besonderen Schwerpunkt auf die Zusammenarbeit mit
Start-ups auf dem Gebiet autonomer Systeme legen. Beispielhafte Anwendungsfelder sind:
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Hardware und Software für Roboter in den Bereichen Logistik, Industrie oder Healthcare,
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Hardware und Software für unbemannte Fahrzeuge und Drohnen, die bei Sicherheits- oder
Wartungsdiensten eingesetzt werden,
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Basistechnologien für autonome Maschinen, beispielsweise Geräte zur Indoor-Navigation oder
3-D-Kameras, sowie
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autonome Maschinen für die Landwirtschaft.
Siemens arbeitet bereits heute mit Start-ups zusammen, die autonome Systeme für die Industrie, das
Gesundheitswesen und die Infrastruktur entwickeln, und setzt in der eigenen Forschung neue Maßstäbe:
• Die Roboter von morgen wird es in allen Formen und Größen geben. Ebenso unterschiedlich
werden ihre Aufgaben sein, sei es, dass sie selten bestellte Bücher aus den hintersten Winkeln
eines Logistiklagers holen oder mithilfe additiver Fertigungsverfahren gemeinsam Schiffsrümpfe
bauen. Siemens arbeitet schon jetzt mit Start-ups zusammen, um bei der Entwicklung von
einsatzfähigen Robotern und Drohnen von Anfang an in maßgeblicher Position dabei zu sein.
• Die jungen Firmen sollen dann die aktuellen Anstrengungen der Konzernforschung verstärken,
denn Siemens-Wissenschaftler arbeiten derzeit an neuen grundlegenden Technologien wie
Datenhandschuhen, Roboterhänden oder Spinnenrobotern mit 3-D-Druck-Düsen, die Teil von
autonomen Systemen werden können. Für sie gibt es eine Fülle von denkbaren Anwendungen
in allen Bereichen.
Drohnen werden intelligent
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Drohnen werden aus der Luft bald viele Aufgaben übernehmen, die bisher großen technischen und
finanziellen Aufwand erfordern. So könnten sie demnächst die Raketen ersetzen, die Wissenschaftler in
die Wolken schicken, um die Wolkenbildung und damit den Niederschlag zu beeinflussen. Mit Drohnen,
die chemische Stoffe in die oberen Luftschichten transportieren, ließe sich dies einfacher und zugleich
sehr viel gezielter erreichen. Das Militär nutzt sie zur Aufklärung, und ein deutsches Logistikunternehmen
hat die kleinen Flugmaschinen erstmalig zur Auslieferung von Paketen in schwer zugänglichen
Bergregionen eingesetzt.
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Intelligent werden Drohnen, wenn sie nicht nur einfach einen zuvor definierten Ort anfliegen, sondern mit
Kameras und Bilddatenverarbeitung ausgestattet werden. Siemens hat mehrere Systeme entwickelt. Sie
bieten die Ausgangsbasis für weitere Anwendungen. Ein Beispiel ist die Pipeline-Überwachung: Mit
einem neuen Inspektionsverfahren für eine systematische und automatisierte Schichtdickemessung aus
der Luft überwachen Drohnen Rohrleitungen. Dafür werden mobile Sensorik und intelligente
Bilddatenanalyse miteinander verbunden. Die Drohne ist mit einer Farbkamera und einer Nah-Infrarot(NIR-)Kamera bestückt und fliegt eine unterirdische Ferngasleitung entlang einer vorgegebenen Strecke
ab, um Daten zu sammeln. Die flächendeckenden, überlappenden Bildaufnahmen werden in der Drohne
gespeichert und sollen künftig über ein Web-Interface direkt an die Pipeline-Analyseplattform von
Siemens übermittelt werden. Aus den aufgenommenen Sensordaten wird sodann ein georeferenziertes,
dreidimensionales Oberflächenmodell der Pipeline-Trasse erstellt und aus der Höhendifferenz zwischen
unterirdischer Rohrleitung und Erdoberfläche schließlich die Erdüberdeckung berechnet. Diese
Technologie wird nicht nur für das Monitoring von Öl- und Gasleitungen, sondern auch für weitere
industrielle Anwendungen einsetzbar sein. Dazu gehört die Inspektion von Solar- oder Windparks,
Stromnetzen, Wasserleitungen, Gebäuden oder Verkehrssystemen.
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In Zusammenarbeit mit Start-ups strebt Siemens an, viele weitere Anwendungsfelder zu erschließen,
zum Beispiel
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Drohnen als Überwachungshilfsmittel für Windkrafträder oder andere Infrastrukturanlagen oder
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Track-Verfahren zur Identifizierung von Drohnen krimineller Herkunft.
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