Roboter light

Gerd Hirzinger - Als Mechanik, Elektronik und Software noch ›friedlich‹ nebeneinander her existierten, war alles noch schwerer und langsamer. Mit seiner Mechatronik macht Prof. Dr. Gerd Hirzinger vom DLR der Leichtbaumechanik Arme und Beine. Die Redaktion von :K hat mit dem Konstrukteur der Roboterhand gesprochen.

16. Juni 2005

Von Modebegriffen hält Professor Gerd Hirzinger wenig. Dennoch ist er ein überzeugter Mechatroniker, für den das Ganze mehr als die Summe seiner Teile ist. Das Kunstwort Mechatronik bezeichnet also mehr als die schlichte Addition von Mechanik, Elektronik und IT. Wenn manche von Mechatronik sprechen - und Elektronik auf gebogenem Kunststoff meinen, ringt sich der Direktor des Instituts für Robotik und Mechatronik ein mildes Lächeln ab. »Für mich beschreibt Mechatronik Systeme, die sich bewegen. Maschinen, die nicht mehr rein mechanisch gesteuert werden, bei denen nicht das Blech die zentrale Rolle spielt, sondern die Integration der Einzelelemente«, beschreibt Hirzinger und nennt als Beispiel das Auto der Zukunft, das mit Sensoren und Aktoren so komfortabel ausgestattet ist, »dass es sich weigert, einen Unfall zu bauen - das ist eine der schönsten mechatronischen Visionen.«

Mechatronik wertet auch totgeglaubte Disziplinen auf. Für Hirzinger bedeutet die Mechatronik so etwas wie die Renaissance des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und der Leistungsantriebselektronik. Die Mechanik wird intelligenter und »rauscht nicht mehr blind und kaum noch bremsbar dahin, wenn zum Beispiel ABS oder EBS als mechatronische Funktionen eingreifen«, schildert Hirzinger: »Mechatronik beschreibt Systeme, die sich bewegen, also Maschinen, bei denen nicht das Blech die zentrale Rolle spielt, sondern die Integration der Einzelelemente.«

Der Kniff besteht nun darin, diese Systeme »kleiner, feiner, filigraner, leichter und leistungsfähiger zu machen. Dadurch kommt Pep und Pfiffigkeit in den Maschinenbau. Schließlich gehört diese Disziplin längst nicht zum alten Eisen, wie manche Propheten anlässlich der Aufteilung der Wirtschaft in New und Old economy verkündet haben.« Das Urteil über einige Blüten der New Economy will der Oberpfaffenhofener Professor den Kollegen von der Wirtschaftsgeschichte überlassen, kann sich aber den gewissen Sarkasmus nicht verkneifen: »Manche haben geglaubt, mit etwas Software und ein paar CDs gehöre ihnen die Welt. Hier wurden Luftblasen mit Milliarden bewertet.«

In seinem Institut geht es viel handfester zu, zumal die vierfingrige Hand mehr als nur ein Vorzeigeprojekt für Politiker und Honoratioren ist, das Bälle fängt und die ersten Takte für Elise spielen kann. Doch zurück zur Geschichte, allerdings zur Technikgeschichte: Rotex war der erste ferngesteuerte Roboter im Weltraum. Kommandozentrale und Roboterwerkstatt haben die gleiche Adressein Oberpfaffenhofen: Gerd Hirzinger und seine DLR-Kollegen. An Bord der Raumfähre Columbia löste der Roboter 1993 in der D-2-Mission Steckverbindungen, baute Gitterstrukturen auf und fing frei fliegende Objekte ein. Ob vorprogrammiert und von den Columbia-Astronauten gelenkt oder direkt vom ›DLR-Space Control Center‹ in Oberpfaffenhofen ferngesteuert - seine Aufgaben meisterte Rotex mit Bravour, und es regnete Lorbeeren auf das Institut in Oberpfaffenhofen.

Das DLR hat inzwischen eine neue Generation geschickter Leichtbauroboter aus der Taufe gehoben, die menschlichen Armen und Händen nacheifern. Antriebstechnik, Sensorik und Signalverarbeitung sind in Hand und Arm untergebracht. Auf den externen Steuerschrank können die Leichtgewichte deshalb gerne verzichten. Tast- und optische Sensoren in den Greifern und Gelenken machen den Roboter fit für Jobs im Weltraum, aber auch für Pick and place-Dienste auf der Erde. Denn den Sprung vom Weltraum in die Fabriken haben seine Roboterentwicklungen längst geschafft. Wenn Industrieroboter Werkstücke greifen oder manipulieren, sind an die jeweilige Aufgabe angepasste Greifer gefragt.Die vierfingrige DLR-Hand funktioniert so präzise, dass sie Werkzeuge und selbst glatte und zerbrechliche Porzellantassen sicher im Griff hält.

Immanuel Kant bezeichnete die menschliche Hand als »Werkzeug des Geistes«, dessen simple Aufgabe es ist, Dinge aufzunehmen und an einer anderen Stelle abzusetzen. Noch ist die menschliche Hand dank ihres Tastsinns und die integrative Verarbeitung der Informationen durch das Gehirn unvergleichlich besser. Denn erst die neuronale Vernetzung der sensorischen Informationen von Tastsinn und Auge sowie die Koordination der Bewegungsmotorik machen die Hand zur Hand. Gerd Hirzinger weiß, dass noch viel zu tun ist, aber auch hier hat er eine Vision vor Augen: Je ähnlicher die vierfingrige Hand dem menschlichen Vorbild wird, desto näher rückt die Aussicht, aus ­einem Roboter eine für Menschen geeignete Prothese zu entwickeln oder zum Beispiel behinderten und alten Menschen eine Kraftverstärkung zu bieten. »Vielleicht profitieren wir selbst einmal von dieser Entwicklung, wenn wir im hohen Alter per Roboter wieder Kraft in die Arme bekommen«, stellt der DLR-Wissenschaftler in Aussicht. Zu den möglichen Errungenschaften seiner praktischen Wissenschaft zählte auch das Überwinden von Barrieren, Paradebeispiel: Die Chirurgie-Robotik, mit der intuitiv die Bewegungen der menschlichen Hand ins Körperinnere übertragen werden.

Serviceroboter der Zukunft müssen mobil sein. Der Trend geht weg vom schweren Industrieroboter, hin zum hochintegrierten ultraleichten Roboter. Mit neuester Hand und einem brandneuen Leichtbauroboter werden Hirzinger und seine Leute auch auf der Automatica in München präsent sein. Nicht dass er als begeisterter Akkordeonspieler eine Klavierbegleitung gesucht hätte. Dass seine Roboterhand die Klaviatur ­beherrscht, ist für Hirzinger eine Frage des Geschicks und für sein mechatronisches Kunstwerk ein Muss. Die ersten Takte aus »Für Elise« hat die Roboterhand bereits ­öffentlich zum Besten gegeben. »Dabei ist sie ähnlich schnell wie die menschliche Hand. Ein guter Pianist spielt zwar schneller, aber einem Durchschnittsklavierspieler kann sie durchaus das Wasser reichen.«

Die Hand aus Oberpfaffenhofen ist größer und klobiger als eine menschliche Hand und hebt in den Fingerspitzen erst drei Kilo. Prof. Hirzinger zielt auf mehr Leistung bei kleinerer Bauweise: »Wir entwickeln bereits die nächste Generation, die wir so klein bauen wie die menschliche Hand.«

Allerdings werden die DLR-Konstrukteure voraussichtlich eine Alternative zum ursprünglichen Konzept der vollständig mo­dularen Hand erproben. In jedem der vier Finger stecken derzeit drei Antriebe, und ein weiterer bewegt die äußeren beiden Finger gegeneinander - das macht zusammen 13.

»Wenn man einigermaßen vernünftige Kräfte erreichen will, können wir kaum kompakter bauen«, erklärt Hirzinger, verspricht aber auf der Automatica die Enthüllung eines kompakteren Modells, das allerdings nur ein Kilo in den Fingerspitzen bewegt. Nicht nur das: Diese Hände kann sich der Roboter innerhalb von Sekunden abschrauben und durch Spezialwerkzeuge ersetzen, denn die Hand ist nicht überall das optimale Mittel für schnelle Prozesse. Die Hand muss sich den Bohrer erst greifen, dagegen arbeitet ein direkt aufgesetzter Bohrer besser und formschlüssiger als der Bohrer in der Hand. In Sachen kompakt ist das Ziel längst nicht erreicht. Die Konstruktionswelt des Professor Hirzinger funktioniert nach dem Prinzip: Etwas geht immer noch, also finde den Weg. Deshalb wird die Hand auch kleiner und stärker, denn »die nächste Version wird eine integrierte Arm-Hand-Kombination sein.« Dort sollen die Antriebe - wie beim Menschen - im Unterarm verlegt sein. Dann kann die eigentliche Hand ähnlich klein gebaut werden wie das menschliche Vorbild. Die Mechanik setzt der Miniaturisierung Grenzen. »Allerdings sollten sich die gesamten Elektronik- und Softwarefunktionen in der Mechanik verstecken lassen.« Mechatronik macht eben mini. Neben der Miniaturisierung gehört die Intelligenz der Systeme zu den Kernbotschaften des Mechatronikers aus Oberbayern.Der Konstrukteur muss eben überlegen, wieer Elektronik integriert oder vielleicht die Mechanik gleich durch Elektronik und Steuerungselemente ersetzt. Letztlich war es auch der mechatronische Ansatz, dem der Konstrukteur, wie es Hirzinger ausdrückt »die ganzheitlich rechnergestützte Simulation und Entwurfsoptimierung verdankt«. Hilfsmittel, die ihm dabei zugute kommen, sind die 3D-Grafik mit Echtzeitvisualisierung. Schließlich ist es nicht allzu lange her, dass am 2D-Reißbrett aufwändig konstruiert wurde.

Missionen, die das DLR übernimmt, haben zwar wie die vierfingrige Roboterhand meist etwas mit den unendlichen Weiten des Weltraums zu tun, sind aber niemals losgelöst von der Erde. Dafür ist der Chef der Robotiker und Mechatroniker zu sehr Pragmatiker. Eine höchst irdische Mission des DLR galt dem Konstruieren in 3D, also mit der 3D-Computergrafik den Konstrukteuren das Arbeiten zu erleichtern. Wer in 3D arbeitet und denkt, hat sechs Freiheitsgrade, also drei translatorische und drei rotatorische. »Wer angesichts dieser Möglichkeiten noch mit der 2D-Maus rumfuchtelt, hat ein Problem«, findet Gerd Hirzinger: »Mit Interface und der Space Mouse fällt das Arbeiten wesentlich leichter, wie die heute schätzungsweise 300.000 installierten Systeme zeigen«, so Hirzinger nicht ohne Stolz. Schließlich zeichnen die DLR-Leute für die vermutlich einzige europäische Computerperipherie am Weltmarkt verantwortlich, und wie Gerd Hirzinger betont, für das einzige 3D-Mensch-Maschinen-Interface am Markt, das sich auf breiter Ebene durchgesetzt hat: »Es gibt derzeit praktisch kein Konkurrenzsystem mehr.« Dass seine Systeme genutzt werden, bezweifelt der Chef der DLR-Erfinder nicht. Speziell in der Automobilindustrie wird ausschließlich 3D-konstruiert. »Viele Konstrukteure haben gelernt, diese sechs Freiheitsgrade auf zwei Mouse-Richtungen zu bilden. Allerdings wird später häufig auf die klassische Funktion umgeschaltet, und die Mouse nach alter Gewohnheit hin und her geschoben«, räumt er ein. Dabei schneidet das intuitive Arbeiten mit der Space Mouse in Sachen Kreativität erheblich besser ab. Untersuchungen von Daimler Benz zeigen, dass Konstrukteure, die intuitiv mit der Space Mouse arbeiten, weniger schnell ermüden und sich länger konzentrieren können. Hirzinger: »Wer intuitiv konstruieren kann, bleibt länger frisch für kreative Einfälle«. Dass manche CAD-Anbieter immer noch eine Lanze für die 2D-Mouse brechen, hält der Professor für Firmenpolitik, die er nicht näher kommentieren möchte.

Zum endgültigen Durchbruch des Denkens in 3D gehören für ihn die Stereo-Display-Techniken, insbesondere die in den nächsten Jahren zu erwartenden, stark verbesserten autostereoskopischen Displays, die keine Zusatzbrille mehr verlangen.

Erschienen in Ausgabe: 01/2004