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Robots Understanding Their Actions by Imagining Their Effects

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Intelligente Roboter, die lernen können, gesundheitsgefährdende Hardware zu recyceln

Automatisierung kann zur Lösung von Europas wachsendem Problem mit Elektro- und Elektronik-Altgeräten beitragen. Allerdings müssen Roboter, die Elektronik- und Haushaltsgeräte für das Recycling zerlegen, in der Lage sein, mit unbekannten Gegenständen umzugehen.

Digitale Wirtschaft

Elektro- und Elektronik-Altgeräte sind der am schnellsten wachsende Abfallstrom in der EU, und dennoch werden weniger als 40 % recycelt. Die Zerlegung von Smartphones, Computern und anderen Haushaltsgeräten ist für Menschen eine komplizierte und potenziell gefährliche Arbeit. Viele dieser Geräte wurden mit Hilfe fortschrittlicher Robotertechnik erbaut. Kann diese Technik auch bei der Entsorgung solcher Geräte helfen? Roboter sind in der Regel so programmiert, dass sie bestimmte, sich wiederholende Aufgaben ausführen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts IMAGINE (Robots Understanding Their Actions by Imagining Their Effects) wurde ein intelligentes System entwickelt, das es einem Roboter ermöglicht, zu „verstehen“, wie er eine ihm unbekannte Geräteversion zerlegen kann. Selbst ein kleines Gerät kann über Hunderte Schrauben verfügen, die sich nur mühsam von Hand lösen lassen. „In der Praxis bedeutet das, dass einfach kein Recycling durchgeführt wird, wenn solche kostspieligen Recyclingverfahren nötig wären“, erklärt Projektkoordinator Justus Piater, Leiter des Digital Science Center an der Universität Innsbruck, Österreich. Stattdessen kann es zu einer gesundheits- und umweltgefährdenden Entsorgung kommen, fügt er hinzu. Das auf vier Jahre angelegte Projekt erweitert die Kapazitäten von Robotern, indem es die Anpassung, Wahrnehmungsfähigkeit sowie autonome Entscheidungsfindung durch eine Kombination maschinellen Lernens mit physikgestützter Simulation der Geräteeigenschaften, denen der Roboter sich wahrscheinlich gegenübersehen kann, verbessert. „Unser größter Durchbruch ist der hochgradig integrative Aspekt des Systems, das Objekte, die ihm noch nie begegnet waren, auf eine Weise zum Teil oder vollständig zerlegen konnte, die nicht von Grund auf geplant oder programmiert werden könnte, weil die dafür nötigen Informationen im Voraus einfach nicht vorhanden waren“, so Piater.

Intelligente Systeme

Eine erhebliche Neuerung bestehe darin, dass das System physikalische Simulationen auslösen kann, um die Nützlichkeit bestimmter Maßnahmen einzuschätzen, erklärt Piater. „Wenn solche Einschätzungen im Voraus vorgenommen werden können, können Erfahrungen gesammelt und Statistiken zusammengestellt werden, die die Nützlichkeit dieser Maßnahmen beschreiben, sodass beim nächsten Mal bessere Entscheidungen getroffen werden können. Das System lernt daraus.“ Eine physikgestützte Simulation erstellt und visualisiert Objekte und ihre Interaktionen mit der Umwelt. Kameraaufnahmen eines Geräts werden analysiert, um Interaktionsmöglichkeiten, sogenannte „Angriffspunkte“, auszumachen, die Aufschrauben, Hebeln, Wegschieben und Drehen, Schütteln und so weiter umfassen können. Das IMAGINE-Team verbesserte Wahrnehmungsfähigkeiten wie das Bemerken und Erkennen von Objekten oder das Einschätzen der Lage und Ausrichtung von Teilen. Es entwickelte außerdem neue Systeme zur Erkennung von Schraubenköpfen, spezifische Detektoren für Angriffspunkte und Detektoren, die die Verkabelung innerhalb elektronischer Geräte erkennen können. „Wir verfügen besonders im visuellen Bereich über Wahrnehmungskapazitäten auf dem neusten Stand der Technik und entwickelten gezielt neue Funktionen“, merkt Piater an.

Innovative Planung

Was die Planung betrifft, so sagt Piater: „Um zu entscheiden, welche Maßnahme als Nächstes durchgeführt werden sollte, wurde ein spezialisiertes Planungssystem entwickelt, das nicht nur den nächsten Angriffspunkt auswählt, sondern auch in die Zukunft blickt, um, so gut es geht, einen ausgereiften Plan zu schmieden.“ Dies kann anhand simulierter und realer Interaktionen geschehen. Bestehende Planer werden mathematisch darauf ausgelegt, einen vollständigen Plan oder gar keinen Plan zu entwickeln. „Wenn sie ihre endgültige Absicht nicht erreichen können, ist es ihnen nicht möglich, zu bestimmen, ob gewisse Maßnahmen zumindest teilweise zielführend sein könnten. Der vom IMAGINE-Team entwickelte Planer weiß hingegen, wie er Fortschritte machen kann, selbst wenn er keinen vollständigen Plan vorhersehen kann. Er geht mit solchen Situationen daher genauso um wie ein Mensch“, merkt er an. Um kleine elektronische Geräte auseinanderbauen zu können, wurde ein ausgefeilter robotischer Multifunktionsgreifer mit eingebautem Werkzeugwechsler entwickelt. Das Demonstratorsystem wurde geschult, um Computerfestplatten zu zerlegen, und kann auch mit bestimmten Grafikprozessoren umgehen. „Wir ließen den Roboter den gesamten Vorgang viele Male durchführen und analysierten seinen Zustand jeweils vor und nach den einzelnen Versuchen, sodass der Roboter aus dieser Erfahrung lernen konnte“, so Piater weiter.

Schlüsselbegriffe

IMAGINE, Roboter, Recycling, gefährliche Hardware, Elektro- und Elektronik-Altgeräte, Umwelt, maschinelles Lernen, Simulation, Festplatten, Elektronik

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