Kann ein Roboter besser kellnern als ein Mensch? Um diese Frage zu beantworten, montiert Dr. Luis Figueredo, Senior Scientist im Team von Prof. Sami Haddadin, einen Roboterarm des Münchner Robotik-Anbieters Franka Emika auf einen Tisch und schließt einen Rechner an. Schon greift die Hand des Roboters ein bis an die Oberkante mit Wasser gefülltes Glas, hebt es hoch und schwenkt es hin und her, ohne Flüssigkeit zu vergießen. »Und das sogar schneller und sicherer als ein Mensch«, sagt der Wissenschaftler vom Robotik-Institut Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (MIRMI) der TUM.

Das Team fütterte den Roboter dazu mit Formeln aus der Algebra, die mehrere hundert Jahre alt sind. Als Grundlage dient ihm ein marokkanisches Tee-Tablett, das nach dem Prinzip eines sphärischen Pendels aufgebaut ist. Zusammen mit Doktorand Riddhiman Laha und Masterstudent Rafael I. Cabral Muchacho bettet Figueredo die Dynamik eines sphärischen Pendels in das Steuerungsprogramm des Roboters ein, was auch bedeutet, dass die Bewegungen, die der Roboter ausführt, von den Grundregeln der Geometrie beschränkt werden.

Die Mathematik des Pendels

Zusätzlich integriert er mit seinem Team die richtigen Winkel, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in das Modell. »Wenn man versteht, wie ein Pendel sich bewegt, weiß, wie es arbeitet, ist es plötzlich ganz einfach«, so Figueredo.

Die 'Spill-not-Wissenschaft' ist ein komplexes Feld. »Die meisten bisherigen Ansätze haben vor allem darauf gesetzt, die Beschleunigung zu begrenzen, um das Überschwappen in den Griff zu bekommen. Oder sie haben sich mit der Dynamik von Flüssigkeiten befasst, um zu berechnen, wie sich diese Substanzen verhalten und Trajektorien vorherzusagen«, erläutert Figueredo: »Das dauert mindestens ein paar Minuten, wenn nicht Stunden, noch dazu mit ungewissem Ergebnis.«

Einsatz in der Pflege und für den Transport gefährlicher Flüssigkeiten

In der Praxis schwebt den Wissenschaftlern zunächst vor, die innovative Robotikunterstützung für alte und pflegebedürftige Menschen einzusetzen. »Doch auch die Industrie, die mit dem Transport von biologischen und chemischen Gefahrenstoffen zu tun hat, dürfte an einer solchen Lösung Interesse haben«, so Figueredo. Ein kritischer Punkt ist noch die Sicherheit: Ein Roboter sollte idealerweise in der Lage sein, Gefahrensituationen zu erkennen. »Dafür benötigen wir eine bessere Perzeption«, erläutert Wissenschaftler Figueredo.

Über Sensoren ist die Maschine dann in der Lage, nicht nur den Menschen zu erkennen, sondern dessen Bewegungen vorherzusagen. Nur so ließe sich eine Kollision mit dem Roboter letztlich ausschließen. Bisher arbeitet der Roboter mit 'taktilen Sensoren' als Sicherheitsmechanismus. Im aktuellen Spill-not-Modus bemerkt der Roboterarm die Kollision, zieht sich augenblicklich zurück, achtet dabei allerdings auch auf die Flüssigkeit.