Humanoide Roboter KI und neue Antriebe machen den Unterschied

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Von humanoiden Robotern verspricht sich die Industrie einen gewaltigen Nutzen. Sie sollen Tätigkeiten übernehmen, die bislang ausschließlich Menschen verrichten konnten. Nun findet gegenwärtig ein Übergang von reinen Prototypen zu ersten Pilotprojekten mit Humanoiden statt.

In den 1960er Jahren begann das Zeitalter der Industrierobotik, mit dem Unimate als erstem seiner Art. Mittlerweile arbeiten Millionen Industrieroboter in den Werkshallen, abgelöst bzw. ergänzt seit den 2000er Jahren durch kollaborative Roboter (Cobots), die sich gegenüber einem Industrieroboter durch dynamische Reaktionen, feinfühlige Sensorik und intuitive Programmierung auszeichnen. Mit den Cobots öffneten sich neue Einsatzfelder für die Robotik, die durch die neuen Humanoiden jetzt nochmals erweitert werden. Voraussetzung dafür sind die inzwischen verfügbaren hochdichten, präzisen Frameless-Motoren, kompakten Servoantriebe und modularen Steuerungssysteme. Neue schlanke und humanoide Gelenke haben die Mechatronik massiv vorangebracht und auch das koordinierte und sichere Laufen sowie Balancieren in verschiedenen Einsatzszenarien, die sogenannte Locomotion, funktioniert mittlerweile gut.

QDD-Architektur verbessert die Beweglichkeit

Verantwortlich dafür sind Fortschritte in der Antriebstechnik, konkret durch neue Quasi-Direct-Drive (QDD)-Technologien. Wo bisher Getriebeuntersetzungen von 1:100 bis 1:1000 üblich waren, kommen in modernen Humanoiden Übersetzungen von bis zu unter 1:20 zum Einsatz. Das bedeutet wesentlich höhere Agilität und weniger Reibung der Geräte, die damit Bewegungen ausführen können, die natürlicher, präziser und sicherer sind als bei jedem Cobot. Damit ist die Voraussetzung für die Mensch-Roboter-Interaktion und dynamische Locomotion geschaffen. Sensitive, robotische Anwendungen brauchen leistungsstarke Torque-Motoren, wie sie die Modelle von TQ-RoboDrive darstellen. Mit ihrer besonders hohen Drehmomentdichte sind solche Motoren in der Lage, die für QDD-Aktuatoren erforderliche Leistung bereitzustellen und gleichzeitig kompakte, leichte und hochdynamische humanoide Gelenke zu realisieren.

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Besondere Kombination von KI und Physis

Es ist die besondere Kombination von KI und Physis, welche die Humanoiden um ein Vielfaches über die bisherige Robotik hinaushebt. Denn der Körper ist das eine, gesteuert aber wird er vom Geist. Wahrnehmung und Entscheidungsfähigkeit finden im Gehirn statt. Über ein solches verfügen Humanoide bekanntlich nicht. Dennoch ist es eine Sache der Intelligenz (hier der künstlichen und ihrer Weiterentwicklung), dass die Robotik mittlerweile so weit gekommen ist. Mittels Deep-Learning-Technologien bleiben die Geräte nicht auf ihrem Status quo stehen, sondern eignen sich in rasanter Geschwindigkeit immer neue Fertigkeiten an. Mittels leistungsstarker VLA-Modelle (Vision-Language-Action) nehmen sie ihre Umgebung wahr, können Handlungen planen und lernen Aufgaben durch Beobachtung.

Ein wesentlicher Treiber ist das sogenannte Imitation Learning, welches das aufwändige Programmieren zunehmend ersetzt. In sogenannten „Robot Gyms“ werden derzeit große Mengen an Bewegungs- und Interaktionsdaten gesammelt, indem Menschen den Robotern Aufgaben vormachen. Die Systeme beobachten diese Abläufe, abstrahieren die Bewegungsmuster und führen sie anschließend eigenständig aus. Dank ihres menschenähnlichen Aufbaus und ihrer hochpräzisen, leistungsstarken Gelenke – aktuell meist zwischen 32 und 52 Achsen – können sie diese Demonstrationen besonders exakt nachbilden. Imitation Learning schließt damit die Lücke zwischen experimenteller KI und praktischen industriellen Anwendungen und gilt als entscheidender Schritt hin zu vielseitig einsetzbaren, produktionsreifen humanoiden Robotern.

Welche Hürden noch zu nehmen sind

Der Fortschritt ist also gewaltig, gleichzeitig gibt es Probleme, die noch nicht bewältigt sind. Sie betreffen die kognitiven Fähigkeiten ebenso wie grundsätzlich die Sicherheit und Verlässlichkeit von KI-Systemen. Eine große Herausforderung liegt in der Integration in reale Arbeitsprozesse, denn reine Bewegungsfähigkeit genügt nicht. In der Praxis bedeutet das, Aspekte wie Materialfluss, Qualitätsprüfung, Maschinensteuerung und komplette Prozessketten einzubeziehen.

Humanoide Roboter sollen sowohl leistungsfähig sein als auch effektiv mit Menschen, Maschinen und anderen Systemen interagieren. Das erfordert ein Verständnis vollständiger Arbeitsabläufe sowie die Fähigkeit, sich flexibel an wechselnde Anforderungen, dynamische Umgebungen und bestehende Prozesse anzupassen. Eine nicht zu unterschätzende technische Hürde stellt die Handhabung komplexer Objekte dar. Hände mit vielen Freiheitsgraden, haptischem Feedback und variabler Steifigkeit sind äußerst schwierig zu realisieren. Ohne diese feinmotorischen Fähigkeiten bleibt der praktische Einsatz in vielen Bereichen eingeschränkt.

Funktionale Sicherheit und die Verlässlichkeit von KI-Systemen sind weitere kritische Themen. Humanoide Roboter müssen nicht nur einzelne Aktoren sicher steuern, sondern die hochkomplexe, synchronisierte Bewegung von 30 bis 50 Freiheitsgraden ohne Verzögerung in Echtzeit koordinieren. Die direkte Interaktion mit Menschen verlangt nach präziser Erkennung, exakter Distanzbewertung sowie nahtloser Verbindung von klassischer Regelungstechnik und KI bei sicherheitsrelevanten Entscheidungen.

Mit der wachsenden Vernetzung humanoider Systeme steigt zudem die Angriffsfläche für Cyberbedrohungen. Manipulierte Steuerungen oder Modelle könnten im Extremfall unkontrollierte Bewegungen verursachen; gleichzeitig sind sensible Daten zu schützen, welche die Roboter in ihrem Arbeitsumfeld erfassen. Sicherheitskonzepte müssen ähnlich widerstandsfähig gestaltet sein wie in der Automobilbranche oder in industriellen Steuerungssystemen.

Nachschub an Bauteilen stottert

Hinzu kommt ein ganz profanes Problem, nämlich die Lieferkette. Drehmomentstarke Motoren, präzise Getriebe und komplexe Sensorik, wie sie humanoide Systeme benötigen, sind bislang nur schwer in großen Stückzahlen verfügbar und werden nur von wenigen Anbietern produziert. Eine kostengünstige Produktion ist aber erst mit zunehmender Skalierung möglich. Was ebenfalls fehlt, sind regulatorische Rahmenbedingungen und Zertifizierungsverfahren. Bestehende Sicherheitsnormen greifen nur bedingt, da humanoide Roboter ohne Schutzkäfige arbeiten und KI-gestützte Entscheidungen treffen. Allerdings arbeitet die ISO derzeit mit der Arbeitsgruppe TC 299 WG12 an einer neuen Norm, die technische, rechtliche und ethische Aspekte gleichermaßen berücksichtigt.

Immenses Potenzial: Universell einsetzbar statt Spezialistentum

Doch trotz aller noch bestehenden Herausforderungen: das Potenzial der Humanoiden ist gewaltig. Denn sie sind für eine auf den Menschen ausgelegte Welt geschaffen, mit ihren Treppen, Türen, Werkzeugen und bestehenden Maschinen. Aufwändige Schutzumhausungen oder speziell angepasste Arbeitszellen wie ein Industrieroboter brauchen sie nicht und lassen sich dadurch schnell und kosteneffizient in vorhandene Strukturen integriert. Gleichzeitig sind sie universell einsetzbar und können ein breites Spektrum an Tätigkeiten übernehmen – von Logistik und Montage bis hin zu Service- und Reinigungsaufgaben. Damit nähern sie sich dem Menschen an, der sich von allen anderen Lebewesen – und auch von künstlichen Intelligenzen – eben durch seine generalistischen Fähigkeiten unterscheidet.

Der globale Markt für menschliche Arbeitskraft wird auf etwa 25 Billionen US-Dollar geschätzt. Ihn adressieren humanoide Roboter, indem sie körperlich belastende oder monotone Tätigkeiten übernehmen, die heute Menschen ausführen oder die sich aufgrund von Fachkräftemangel gar nicht mehr besetzen lassen. Gleichzeitig ermöglichen sie Automatisierung ohne grundlegende Umgestaltung bestehender Produktionsumgebungen. Prozesse lassen sich weitgehend unverändert übernehmen, was sowohl Investitionskosten als auch Implementierungszeiten reduziert als gleichzeitig auch die Arbeitssicherheit erhöht.

Fazit: Die nächste große technologische Welle

Die humanoide Robotik befindet sich heute in einer Phase, die mit der Entwicklung von Smartphones Mitte der 2000er-Jahre vergleichbar ist: Die technologischen Grundlagen sind gelegt, die Systeme erreichen ein praxistaugliches Niveau, und eine starke Dynamik aus Innovation und Investitionen treibt die Entwicklung voran. Große Unternehmen setzen humanoide Roboter bereits in ersten realen Produktionsumgebungen ein, während gleichzeitig erste Modelle für den privaten Einsatz vorbestellbar sind – ein klares Signal für eine bevorstehende breitere Marktdurchdringung.

Bis Ende dieses Jahrzehnts dürften Humanoide in ersten industriellen Anwendungen produktiv eingesetzt werden, etwa in der Logistik, bei einfachen Montagearbeiten, in Verpackungsprozessen oder im Facility Management. Wie das aussieht, zeigt ein Blick nach Japan: Dort gibt es seit Anfang dieses Jahres erste Einsatzszenarien bei der Gepäcksabfertigung auf Flughäfen. (mc)

* Robert Vogel ist Head of Business Development & Sales bei TQ-RoboDrive.

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