Logistik – Hereingeforscht – Forschung an der Hochschule Schmalkalden

Das Projekt RoboTraces zog Ende Januar ein Resümee seiner einjährigen Forschungstätigkeit und lud aus diesem Anlass abseits der Vertreter:innen von Presse und Politik auch jene Personen ein, die ein elementarer Bestandteil des Vorhabens in dem Stadtquartier Geras waren: Die Bewohner:innen. Neben dem Umweltminister Thüringens, Bernhard Stengele, fanden auch der TAG-Regionalchef, Claudius Oleszak, und die Referentin beim Bundesministerium für Digitales und Verkehr, Sarah Schmelzer, positive Worte zum Projekt und seiner Bilanz.

„Robbie“ ist ein autonomer Lieferroboter, der Einkäufe vom Laden, hier ein lokaler REWE, zu den Kund:innen, hier zum Nachbarschaftstreff Eichenhof, bringen soll. Da der Roboter die Gehwege nutzt, galt es zunächst, die Reaktionen der Bevölkerung auf „Robbie“ zu sondieren, also zum Beispiel, ob die Passant:innen anhalten, die Straßenseite wechseln oder einfach weitergehen – bzw. in welchen Situationen welche Reaktion auftritt.

Anpassung und Lebensqualität

Aus diesen Beobachtungen und Gesprächen mit den Nutzer:innen und Anwohner:innen lässt sich unter anderem schließen, welche Abstände, welche Farbgebung und welche Geschwindigkeiten notwendig sind, damit der Roboter zwar wahrgenommen wird, er zugleich aber nicht stört oder gar als Gefahr erscheint. Um diese Einsichten über das Verhalten und mögliche Parameter der Anpassung zu gewinnen sowie erste Einschätzungen möglicher Stressoren, also Auslösern von Stress, treffen zu können, wurde Robbie über einen längeren Zeitraum in mehreren Phasen in dem Quartier in Gera getestet.

„Robbie“ soll in erster Linie Menschen helfen und von alltäglichen Mühen entlasten, wie es unter anderem Einkäufe darstellen. Somit ist es ein Gewinn an Lebensqualität und Autonomie, wenn ältere Menschen wieder die Möglichkeit erhalten, weitestgehend selbstbestimmt und unabhängig ihre alltäglichen Besorgungen zu erledigen. Im Ergebnis bleibt den Senior:innen mehr Zeit für andere Aktivitäten, zum Beispiel zum Tanz oder Kartenspiel im Nachbarschaftstreff Eichenhof. Die Entwicklung autonomer Lieferroboter steht zwar noch am Anfang, ihr positiver Nutzen gerade für eine immer älter werdende Bevölkerung hingegen ist schon bereits heute greifbar.

Pionierarbeit und Erkenntnisse

Professor Sebastian Zug von der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, Professor Frank Schrödel von der Hochschule Schmalkalden und Professor Felix Wilhelm Siebert von der Technischen Universität Dänemark leisteten mit ihren Teams hier Pionierarbeit, sind die Akzeptanzbedingungen autonomer Lieferroboter im Outdoor-Bereich doch bislang unerforscht. Gerade die Situation eines inhomogenen Terrains, das unterschiedliche Beläge und zum Beispiel Breiten und Belagsqualitäten der Gehwege aufweist, wurde zu einer Herausforderung für den Lieferroboter. Zugleich ließ es die lange Testphase zu, Daten in verschiedenen Situationen zu sammeln, also bei Tag und Nacht sowie unter anderem bei hohem und niedrigem Passant:innenaufkommen.

Ein Ergebnis der Testphasen war, dass die Einschätzbarkeit des Verhaltens des Roboters ein wichtiger Aspekt im Umgang der Menschen mit ihm war: Kurzum wollen Menschen nicht überrascht werden, wie von spontanen Richtungs- oder Geschwindigkeitsänderungen. Die nächste Herausforderung wird es also sein, die Vorhersagbarkeit des Verhaltens technisch zu integrieren und sichtbar zu machen. Die einjährige Projektphase wurde also nicht nur genutzt, um die Technik der Roboter stetig zu verbessern, sondern auch dazu, den Kontakt von „Robbie“ und Menschen besser zu verstehen und für sich anschließende Projekte konstruktive Ansatzpunkte zu schaffen.

Datenschätze und Herausforderungen

Während der Testfahrten wurde ein großer Datensatz en erzeugt, der nun – natürlich anonymisiert – anderen Forschenden und Forschungsfragen als Grundlage zur Verfügung steht. Die Organisation der Testfahrten, die das Sammeln der Daten ermöglicht, ist eine arbeitsintensive Aufgabenstellung: Nicht nur musste Robbie jeweils nach Gera verbracht werden, auch mussten Teams zusammengestellt und Absprachen mit den Verantwortlichen vor Ort getätigt werden. Dieser Aufwand kann durch die Vorarbeit des RoboTraces-Teams nun anderen Forschenden abgenommen werden. Zum Beispiel arbeitet schon jetzt eine deutsche Hochschule in Jordanien mit den Datensätzen aus den Fahrten in Gera.

Neben den technischen und verkehrspsychologischen Aspekten ist die rechtliche Ausgestaltung eine weitere Herausforderung für zukünftige Projekte der Logistik über autonome Lieferroboter. Zwar sind viele Bereiche innovativer Technologien wie das autonome Fahren schon z.T. kodifiziert, für andere Bereiche hingegen liegen noch keine Vorgaben vor. Da sich Roboter auf Fußwegen und somit Kontaktbereichen mit Passant:innen bewegen, ist die Relevanz der rechtlichen Klärung offensichtlich. Damit diese Form der Logistik im Alltag Anwendung finden kann, bedarf es eines rechtlichen Rahmens, der Verantwortlichkeiten und Mindeststandards mikromobiler, autonomer Fahrzeuge klärt.

Nicht zuletzt ist es eine Herausforderung für solche Reallabore wie die Testphase von RoboTraces, die Bereitschaft der Bevölkerung sicherzustellen. Um innovative Technologien und die Kriterien der Akzeptanz unter solchen Realbedingungen testen zu können, benötigen solche Projekte eine grundlegende Bereitwilligkeit und Aufgeschlossenheit der Anwohner:innen. „Robbi“ konnte hier auf den Erfahrungen mit „Emma“ aufbauen, eines automatisierten E-Kleinbusses, der ebenfalls in Gera-Lusan unterwegs war. Auch wenn somit die Berührungsängste schon verringert wurden, war es doch an den Forschenden, die Anwohner:innen über das Projekt zu informieren und einzubinden. Eine Möglichkeit war es, den Namen gemeinsam mit den Bewohner:inneren zu finden. Kurzum fand „Robbie“ in Gera eine bereitwillige Aufnahme, wodurch es möglich wurde, den Lieferroboter auf vielen Fahrten zu beobachten, und aus positiven wie negativen Erfahrungen der Menschen vor Ort zu lernen.

Das Projekt RoboTraces wurde von der Innovationsinitiative mFUND gefördert, mit der das BMDV seit 2016 Forschungs- und Entwicklungsprojekte rund um digitale datenbasierte Anwendungen für die Mobilität der Zukunft unterstützt.

Mehr hier:

https://www.mdr.de/nachrichten/thueringen/ost-thueringen/gera/roboter-einkaufen-senioren-testergebnis-robbie-100.html

RoboTraces – Moderne Logistik mit Hilfe von Mikromobilen

Die autonome Beförderung in selbststeuernden Fahrzeugen scheint uns mittlerweile eine vertraute Vision einer nicht mehr allzu fernen Zukunft. Unzählige Akteure aus verschiedenen Bereichen von akademischer Wissenschaft über kommerzielle Projekte von Unternehmen aus der Wirtschaft bis hin zu Programmen der öffentlichen Verwaltung sind damit beschäftigt, diese neuen Formen der individuellen Mobilität zu konzipieren und ihre technische sowie rechtliche Realisierung intensiv voranzutreiben. Weit weniger Aufmerksamkeit erhalten dagegen kleinere autonom operierende Systeme, sogenannte Mikromobile, die auf Fuß- und Radwegen fahren. Diese kleinen Transportfahrzeuge bringe Waren selbststeuernd von Punkt a zu Punkt b, säubern die Umgebung oder bringen E-Roller zu Mietstationen zurück. Sie sorgen für Entlastung, indem sie zum Beispiel Senior:innen bei ihren alltäglichen Erledigungen unterstützen. Zwar ähneln sich manche der Herausforderungen zu jenen des autonomen Fahrens, es bestehen in diesem Bereich aber auch gänzlich eigene ingenieurwissenschaftliche Fragestellungen.

Im Projekt „RoboTraces. Robots are in town“ erschließt eine Gruppe von Forschenden also ein bis dato wenig beachtetes Transportmittel, das sich als ein Element im Transformationsprozess der modernen Mobilität und des Warenverkehrs ausnimmt. Prof. Sebastian Zug von der Technischen Universität Bergakademie Freiberg und Prof. Frank Schrödel von der Hochschule Schmalkalden gehen dabei nicht nur Fragen der technischen Umsetzung nach, ihr Ansatz weist ferner eine Erweiterung der Perspektive um eine rechtliche und sozialwissenschaftliche Dimension gerade in Hinsicht des praktischen Gebrauchs der Roboter und deren alltäglichen Interaktionen mit Menschen auf.

Gruppe von Studierenden beim Austausch — Workshop in Freiberg

Die kooperative Interdisziplinarität, die sich auch an den Arbeitsfeldern der beteiligten Wissenschaftler:innen ablesen lässt, dient dazu, die autonome Mikromobilität aus differenzierten Blickwinkeln zu beleuchten. Hierzu müssen unter anderem zwei Perspektiven, die sich wesentlich unterscheiden, verschränkt werden: Die Sicht der Mikromobile und die Sicht der Umwelt. Dies meint, dass sowohl die technischen Herausforderungen und infrastrukturellen Bedingungen der autonomen Logistik im Fokus stehen wie die Akzeptanzkriterien der Gesellschaft im Umgang mit den Robotern. Aus dieser Anlage wird klar, wie breit gefächert der Katalog an Aufgaben und Themen ist, denen sich die Beteiligten in dem Projekt widmen.

Das Ziel ist der Weg

Anders als die autonomen Fahrzeuge des Individualverkehrs sollen sich die Mikromobile zumeist nicht auf Straßen bewegen, sondern auf den Fuß- und Radwegen unserer Innenstädte und Wohnviertel. Sie befahren mithin Bereiche der Öffentlichkeit, auf denen sich Passant:innen auf je eigene Weise fortbewegen, mal langsam und mal schnell, mal gerade und mal mäandernd usw. Zwei Aufgaben kommen zusammen: Einerseits müssen sich die Roboter selbst steuern können und die Fähigkeiten haben, sich auf unterschiedlichem Terrain zu orientieren und Hindernisse zu erkennen sowie diese zu überwinden. Andererseits bewegen sich die Fahrzeuge in einem geteilten Raum, in welchem sie auf andere Verkehrsteilnehmer reagieren müssen. Letzteres ist ein diffiziles Problem, da diese Einschätzung untern anderem eine Qualität der Prognose, also die Abschätzbarkeit menschlichen Handelns, verlangt.

Gruppe von Menschen, zwei Personen übeprüfen Konfiguration des Lieferroboters mithilfe eines Tablets — Konfiguration der Robotor

Wie die autonomen PKWs müssen die Roboter auf ihre Umwelt achten und etwaige Gefahrenquellen erkennen, um sich möglichst sicher in dem engen, geteilten Raum der Innenstädte fortbewegen zu können. Die Transportroboter sind so zu programmieren, dass sie stoppen, sofern absehbar ein Risiko auftritt; und eben dafür müssen sie Bewegungsabläufe in einem gewissen Maße voraussehen können, also was die eventuellen nächsten Schritte sein könnten oder was es für Folgen hätte, wenn die Person spontan anhalten würde. Für diese Einschätzung bedarf es einer großen Mengen an Daten des Verhaltens von Passant:innen im öffentlichen Raum, die bislang in der benötigten Form und Qualität nicht vorliegen.

Die grundlegende Intention des Forschungsprojektes ist es, die für die Akzeptanz zentralen Parameter des Einsatzes autonomer Lieferroboter im öffentlichen Raum wie Größe, Geschwindigkeit und Abstand zu bestimmen und zudem über eine systematische Datenerhebung Interaktionsmuster und objektive Rahmenbedingungen zu konkretisieren. In zwei prototypischen urbanen Testgebieten in Gera und Freiberg wird der Einsatz der Roboter bis zum Herbst 2023 erprobt und zugleich die Reaktion der Umgebung, also der Umgang der Passant:innen mit den Robotern, gesichtet und wissenschaftlich ausgewertet. Durch die langfristige Anlage der Testphasen können verschiedene Szenarien von Licht- und Wetterverhältnissen bis hin zum unterschiedlichem Aufkommen von Passant:innen einbezogen und somit das Bild der gewonnen Daten diversifiziert und vervollständigt werden. So entsteht eine belastbare Datenlage, die weiteren Forschungsvorhaben als sicherer Ausgangspunkt dienen kann.

Die Schwere des scheinbar Leichten

Die Konstruktion solcher Roboter und die Automatie ihrer Bewegung im Raum ist dabei alles andere als ein unterkomplexes Problem. Nur als ein Beispiel wird hier auf die Herausforderung der räumlichen Wahrnehmung kurz eingegangen. Zunächst erkennen Transportroboter ihre Umwelt – neben anderen Sensoren – wenig überraschend mit Hilfe von Kameras. Aber schon wird es schwierig und wir Menschen müssen uns von unserem Zugang zur Welt trennen: Die von den Kameras erzeugten Bilder sind zunächst zweidimensionale Flächen, denen die dritte Dimension, also der Raum, fehlt. Wir müssen uns dies als ein klassisches Foto denken, auf dem alles zunächst auf einer Ebene liegt. Um hierin weitere Dimension wie den Raum und die Zeit einzutragen, die beide für das Abschätzen von Bewegungen zentral sind, bedarf es wiederum technischer Lösungen.

Austausch zweier Personen beim Workshop — Austausch beim Workshop

Ein Weg, die dritte Dimension zu integrieren, ist die Verwendung zweier Kameras und eine daran anschließende computergestützte Verarbeitung. Durch die so gewonnene Räumlichkeit lassen sich Distanzen und Bewegungen einschätzen, auch wenn es hierfür wiederum komplexer Prozesse der Datenverarbeitung bedarf, was wiederum einen Zusatz an technischem Aufwand mit sich führt. Zugleich sind im Straßenverkehr das Tempo und die Genauigkeit der Berechnung relevante Faktoren um Unfälle vorab zu vermeiden. Was also zunächst einfach klingt – die Wahrnehmung der Umwelt – entpuppt sich als eine komplizierte technische Aufgabe.

Teile des Ganzen

Zum einen befassen sich die RoboTracers mit der technischen Realisierung der Transportroboter: Wie müssen diesen für den urbanen Raum aufgebaut und gestaltet sein, um ihre Aufgaben optimal erfüllen zu können? Neben Fragen der Größe, der möglichen Reichweite und Traglast geht es auch um die Rahmenbedingungen der Infrastruktur, die in Hindernissen wie Bordsteinen, Schrägen und Löchern sowie fehlender Beleuchtung bestehen können. Auf was, für welche Situationen muss ein Lieferroboter im Zweifel vorbereitet sein? Auch Fragen wie jene der benötigten Breite der Wege spielen hier eine Rolle.

Testfahrt Lieferrobotor, begleitet von zwei Personen — Testfahrt in Freiberg

Zum anderen geht es dem Projekt um die Erhebung von Daten, die den Einsatz der Roboter unter realistischen Bedingungen abbilden und als Grundlage für die weitere Entwicklung dienen können. Die Frage ist, welches Set an Sensoren hier die notwenigen Daten über die Umgebungserfassung und das Verhalten der Passanten liefern. Ferner bedarf es komplexer Bearbeitungsprozesse, um aus einer reinen, ungeordneten und im Zweifel recht umfänglichen Sammlung an Daten nutzvolle Informationen zu selektieren.

Der dritte Teil stellt dann die Mensch-Maschinen-Beziehung in ihr Zentrum: Wie lassen sich Kriterien und Parameter eines subjektiven Sicherheitsgefühls in ein tragfähiges Akzeptanzmodell überführen? Wie müssen die Roboter aussehen und wie sollten sie sich bewegen, um einerseits nicht als potentielles Risiko oder eine Gefahrenquelle wahrgenommen zu werden und andererseits im Fußgängerverkehr nicht unterzugehen? Um sich der Interaktion zwischen Passant:innen und den Mikromobilen anzunähern, werden die Testfahrten begleitet und die Reaktionen der Umgebung videographisch festgehalten, um in einem nächsten Schritt ausgewertet zu werden. Wie es grundlegende Ansätze der Forschung an sich haben, bedarf es auch hier zunächst der Entwicklung von Maßstäben und Kriterien der Bewertung, um über diese dann weitere, vertiefende Studien ausführen zu können.

Gruppe von Menschen begleitet Testfahrt — Testfahrt in Freiberg

Nicht zuletzt geht es dem Projekt auch um die Klärung, ob und wie rechtliche Rahmenbedingungen für diese Form der Logistik notwendig sind und wie diese ausgestaltet werden müssen. Um die Fragen gesetzlicher Anpassungen im Straßenverkehrs-, Haftungs- und Datenschutzrecht eruieren zu können werden auch die Erkenntnisse aus den anderen Bereichen herangezogen. Dies soll den Weg ebnen für den späterem Einsatz der Lieferroboter und administrative Genehmigungsverfahren als Grundlage dienen.

Über die Beteiligten

Prof. Frank Schrödel hat die Professor für Antriebs-, Automatisierungs- und Robotertechnik an der Hochschule Schmalkalden inne, die an der Fakultät für Maschinenbau angesiedelt ist. Die Leitthemen seiner Forschung sind das autonome Fahren, die Industrie 4.0 und Social Robots. Die Klärung der rechtlichen Aspekte übernimmt Prof. Ulf Müller aus dem Bereich Wirtschaftsrecht an der HSM. Er ist zudem Teil des Forschungsschwerpunktes „Rechtsordnung der digitalen, nachhaltigen und standardisierten Wirtschaft und Gesellschaft“, was die Nähe zum RoboTrace-Projekt nochmals verdeutlicht.

An der Technischen Universität Bergakademie Freiberg hat Prof. Sebastian Zug die Professur für Softwaretechnologie und Robotik und ist zugleich an der Arbeitsgruppe Softwareentwicklung und Robotik beteiligt. Seine Forschungsschwerpunkte im Horizont mobiler Systeme liegen auf der robusten Umgebungserfassung und Erreichbarkeitsanalysen in realen Szenarien.

Neben wissenschaftlichen Mitarbeitenden und Partnern aus Politik und Wirtschaft lässt sich die Einbindung von Assistant Professor Felix Wilhelm Siebert hervorheben, der an der Technischen Universität Dänemark im Bereich der Verkehrspsychologie forscht. Neben der Experimentalpsychologie widmet er sich Mensch-Maschinen-Verhältnissen und Fragen der Fahrzeug- sowie Verkehrssicherheit.

Assistant Professor Felix Wilhelm Siebert

Zum Abschluss kann noch auf ein Video der Allianz ThürIng verwiesen werden, das aus Anlass des Workshops entstanden ist:

Wir bedanken uns für die finanzielle Unterstützung des Projektes durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr unter dem Förderkennzeichen 19F1117A (Förderprogramm mFUND).