Technologien für die Wartung maritimer Infrastrukturen

Die regelmäßige Wartung ist für die Sicher­heit mar­itimer Anla­gen essen­ziell. Zukün­ftig sollen Robot­er diese für den Men­schen aufwendi­ge und gefährliche Auf­gabe übernehmen. Im Ver­bund­pro­jekt Mare-IT, das vom BMBF mit ca. 5,5 Mio. Euro gefördert wird, entwick­elt ein Kon­sor­tium namhafter Unternehmen und Forschung­sein­rich­tun­gen unter Leitung des Deutschen Forschungszen­trums für Kün­stliche Intel­li­genz (DFKI) ein zweiarmiges Autonomes Unter­wasser­fahrzeug (AUV), das sowohl autonom als auch fer­nges­teuert unter Wass­er operieren kann. Zugle­ich stellt es die notwendi­ge IT-Infra­struk­tur bere­it, um einen rei­bungslosen und bidi­rek­tionalen Infor­ma­tions­fluss mit dem Anla­gen­be­treiber zu gewährleisten.

Der Ein­satz von Robot­ern und IT-Sys­te­men ist ein wesentlich­er Fak­tor für die zukün­ftige Nutzung mar­itimer Poten­tiale. Ins­beson­dere die Off­shore-Indus­trie set­zt bei der Wartung ihrer Infra­struk­tur, z.B. von Winden­ergiean­la­gen oder Öl- und Gas­förderungsan­la­gen, ver­mehrt auf Robot­er, um Schä­den an Anla­gen, kosten­in­ten­sive Aus­fälle, aber auch Umweltschä­den zu ver­mei­den. Dabei geht der Trend weg von rein fer­nges­teuerten Sys­te­men, hin zu Unter­wasser­fahrzeu­gen, die über lange Zeiträume Unter­wass­er verbleiben, dort autonom operieren und zugle­ich im Bedarfs­fall fer­nges­teuert wer­den kön­nen. Für einen dauer­haften und rei­bungslosen Ein­satz von Robot­ern in tiefen Gewässern braucht es allerd­ings ganzheitliche Lösun­gen, die neben einem robusten AUV, intu­itiv­en Tele­op­er­a­tionstech­nolo­gien, auch die notwendi­ge IT-Infra­struk­tur bere­it­stellen, um einen effek­tiv­en Infor­ma­tions­fluss mit den Anla­gen­be­treibern zu ermöglichen. Hier set­zt das vom DFKI Robot­ics Inno­va­tion Cen­ter geleit­ete Ver­bund­pro­jekt Mare-IT an, das führende Unternehmen und Forschung­sein­rich­tun­gen aus den Branchen IT, Robotik, Antrieb­stech­nik und Off­shore vere­int. Zum Pro­jek­tkon­sor­tium gehören zudem die DFKI-Forschungs­bere­iche Kog­ni­tive Assis­ten­zsys­teme (vor­mals Intel­li­gente Benutzer­schnittstellen) und Einge­bet­tete Intel­li­genz sowie die Wit­ten­stein cyber motor GmbH, SAP SE, die IMPaC Off­shore Engi­neer­ing GmbH und die Rosen Tech­nol­o­gy and Research Cen­ter GmbH.

Prof. Dr. Dr. h.c. Frank Kirch­n­er, Leit­er des DFKI Robot­ics Inno­va­tion Cen­ters: „Das Pro­jekt Mare-IT soll die mar­itime Robotik auf eine neue Stufe heben: Mit der gebün­del­ten Kom­pe­tenz der Pro­jek­t­part­ner wollen wir eine ganzheitliche Lösung für den Ein­satz ein­er neuen Gen­er­a­tion autonomer Unter­wasser­fahrzeuge bieten, die dank ein­er leis­tungsstarken IT-Infra­struk­tur die intu­itive Steuerung und Überwachung kom­plex­er Inspek­tions- und Wartungsauf­gaben ermöglicht.“

Im Zen­trum von Mare-IT ste­ht die Entwick­lung ein­er IT-Infra­struk­tur, die den bidi­rek­tionalen Infor­ma­tions­fluss und die Ein­bindung in beste­hende Geschäft­sprozesse ermöglicht. Um eine ganzheitliche Lösung zu erre­ichen, liegt der Fokus des Pro­jek­ts ins­beson­dere auf der Kom­pat­i­bil­ität der Einzelkom­po­nen­ten, der intu­itiv­en Bedi­en­barkeit sowie der visuell ansprechen­den Darstel­lung aller in den Infor­ma­tions­fluss einge­speis­ten Dat­en, z.B. auf einem Tablet oder Smart­phone. Darüber hin­aus kom­men in Mare-IT auch Tech­niken aus dem Bere­ich Indus­trie 4.0 und dem Inter­net der Dinge zur Anwen­dung, etwa die vorauss­chauende Wartung (Pre­dic­tive Main­te­nance), die zusät­zliche Infor­ma­tio­nen über den Zus­tand von Unter­wasser­struk­turen und Anla­gen liefern kön­nen. Ein weit­er­er Schw­er­punkt des Pro­jek­ts liegt im Bau und der Konzep­tion eines neuar­ti­gen zweiarmi­gen AUVs, das in die IT-Infra­struk­tur einge­bet­tet und als mobile Plat­tform zur Inspek­tion und Wartung von Unter­wasser­struk­turen ein­set­zbar ist. Im pro­jek­tierten Anwen­dungsszenario führt das Fahrzeug mith­il­fe sein­er zwei Arme eine Manip­u­la­tion an ein­er Infra­struk­tur (teil-)autonom aus. Dafür dockt es mit einem Arm an die Infra­struk­tur an, um eine Daten­verbindung über eine Hochgeschwindigkeitss­chnittstelle herzustellen. Auf diese Weise wird die Infor­ma­tion­süber­mit­tlung und damit auch eine Fern­s­teuerung des AUVs sowie des zweit­en Arms durch einen men­schlichen Oper­a­tor möglich. Die Tele­op­er­a­tion erfol­gt dabei mit­tels Exoskelett über einen virtuellen Leit­stand, der zusät­zliche Kon­trollein­rich­tun­gen sowie einen virtuellen Co-Piloten zur Ent­las­tung des Oper­a­tors bere­it­stellt. Auf der Konzep­tion und Entwick­lung der notwendi­gen Leit­standtech­nik zur intu­itiv­en Steuerung des robo­tis­chen Sys­tems liegt ein weit­er­er Fokus.

Zweiarm-AUV für den autonomen Betrieb und die intuitive Teleoperation via Exoskelett

Das DFKI Robot­ics Inno­va­tion Cen­ter bringt in das Pro­jekt seine langjährige Exper­tise im Bau autonomer und teleoperiert­er Unter­wasser­fahrzeuge sowie auf den Gebi­eten der Tele­op­er­a­tion und der Men­sch-Robot­er-Kol­lab­o­ra­tion ein. Für den autonomen Betrieb des geplanten AUVs set­zen die Wis­senschaftler auf eine Vielzahl unter­schiedlich­er Sen­soren, z.B. Sonarsen­soren, Kam­eras, Laser und Mag­ne­tome­ter. Um die große Menge an Sen­sor­dat­en effek­tiv ver­ar­beit­en zu kön­nen, erar­beit­en die Forsch­er ein stan­dar­d­isiertes Architek­turkonzept, dass die dezen­trale Analyse von Daten­strö­men direkt an Bord des Robot­ers ermöglicht. Eine große Her­aus­forderung für die Regelung des freis­chweben­den Fahrzeugs stellt der Wech­sel von Autonomie zu Tele­op­er­a­tion dar, ins­beson­dere die Umset­zung der zweiarmi­gen Manip­u­la­tion. Die Tele­op­er­a­tion des Unter­wasser­ro­bot­ers erfol­gt über den Leit­stand mith­il­fe eines am Robot­ics Inno­va­tion Cen­ter entwick­el­ten Exoskeletts, das vom Oper­a­tor getra­gen wird und Force Feed­back, d.h. Kraftrück­kop­plung, ermöglicht. Zusät­zlich betra­cht­en die Bre­mer Wis­senschaftler im Pro­jekt den Infor­ma­tions­fluss zwis­chen AUV, Leit­stand sowie geschäftsin­tern­er Infra­struk­tur und erar­beit­en eine ein­heitliche Schnittstelle für den bidi­rek­tionalen Datenaustausch.

Virtueller Co-Pilot unterstützt den Operator intuitiv bei der Teleoperation

Im Fokus der Auf­gaben des DFKI-Forschungs­bere­ichs Kog­ni­tive Assis­ten­zsys­teme ste­ht die Entwick­lung eines dig­i­tal­en Assis­ten­ten, der den Oper­a­tor bei sein­er Inter­ak­tion mit dem Leit­stand und let­z­tendlich damit auch bei der durchzuführen­den Tele­op­er­a­tion unter­stützt. Da bei der Tele­op­er­a­tion mit­tels Force Feed­back bei­de Arme des Oper­a­tors genutzt wer­den, um eine direk­te Fern­s­teuerung der Robot­er­arme umzuset­zen, sollen ergänzende Modal­itäten wie Sprache oder Blick­gestik zum Zugriff auf Infor­ma­tions- oder Steuerungssys­teme einge­set­zt wer­den. Auf diesem Weg ermöglicht es der dig­i­tale virtuelle Co-Pilot während der Tele­op­er­a­tion mit­tels Sprach­be­fehl Sekundärsys­teme des Robot­ers oder der Infra­struk­tur zu bedi­enen, z.B. zum Ein- und Auss­chal­ten der AUV-Schein­wer­fer. Das Inter­ak­tion­s­mod­ell ist dabei dynamisch erweit­er­bar und ermöglicht die Pro­gram­mierung klein­er Bewe­gungsabläufe per Teach-in. Zusät­zlich präsen­tiert der Assis­tent dem Oper­a­tor eine Sit­u­a­tion­szusam­men­fas­sung über eine Aug­ment­ed Reality-Schnittstelle.

Lokalisierung dank künstlicher oszillierender Magnetfelder

Der DFKI-Forschungs­bere­ich Einge­bet­tete Intel­li­genz fokussiert sich in Mare-IT auf die Unter­stützung der Lokalisierung des Unter­wasser­ro­bot­ers mit­tels kün­stlich­er oszil­lieren­der Mag­net­felder. Dieses physikalis­che Konzept wurde bere­its in vorheri­gen Pro­jek­ten des Forschungs­bere­ichs sowohl im indus­triellen Kon­text als auch in Smart Home-Anwen­dun­gen erfol­gre­ich einge­set­zt. Im Rah­men von Mare-IT sollen hier­bei die Vorteile und Ein­schränkun­gen des Sys­tems im Unter­wasser­bere­ich erforscht werden.