Humanoide Robotik

Neugierig wird jeder humanoide Neuzugang zur Sammlung des Fraunhofer IPA beäugt, einsatzfähig gemacht und auf den institutseigenen Testparcours geschickt. Frey: »Das sind alles für den Menschen einfache Aufgaben, die der Humanoide erst noch trainieren muss.« Wenn der Roboter scheitert, macht sich Frey mit seinem Team auf Fehlersuche – und wird häufig bei der Hardware fündig. Manchmal ist bereits die Verkabelung so mangelhaft, dass die Kontakte leicht verrutschen und es zu Fehlermeldungen und Ausfällen kommt. Oft liefern die verbauten Sensoren nicht die erforderliche Datenqualität für eine präzise Umfelderkennung und Navigation. Auch sind viele Komponenten empfindlich und würden insbesondere einem dauerhaften Einsatz in der Industrie nicht lange standhalten. Frey: »Unsere Testungen laufen zurzeit noch. Bisher gibt es kaum Erfahrungen mit humanoiden Helfern in Produktionshallen.«

Das soll sich jedoch bald ändern. Seit März 2026 erprobt BMW den Einsatz von Humanoiden im Leipziger Werk. Auch Mercedes oder Siemens experimentieren bereits mit den menschenähnlichen Robotern, die der KI einen Körper geben. Fabrikhallen gelten wegen der klar strukturierten Arbeitsumgebung und der standardisierten Prozesse als besonders geeignetes Einsatzfeld. Humanoide sollen, so die Hoffnung, die Fertigung kostengünstiger machen und den prognostizierten Arbeitskräftemangel ausgleichen.

Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Die beeindruckenden chinesischen Tanzshows, in denen sich Humanoide perfekt synchron im Rhythmus der Musik bewegen, oder die akrobatischen Kunststücke von Boston Dynamics »Atlas« und Teslas »Optimus« lassen fast vergessen: Technologisch bleibt noch einiges zu tun, bis sie unsere Fabriken bevölkern können. Viele wichtige Bauteile wie Aktoren, Getriebe oder Sensoren erfüllen nicht die industriellen Anforderungen an Robustheit, Lebensdauer und Kosten. Vincent Bezold, Leiter des Geschäftsbereichs Automatisierte Fertigungssysteme am Fraunhofer IPA: »Neben der KI bestimmen vor allem die Hardwarekomponenten zurzeit die Fähigkeiten, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit der humanoiden Helfer.« Das sei, so ist er überzeugt, eine große Chance für die zuletzt stark gebeutelte Autozuliefererindustrie und den deutschen Maschinenbau, die ihre Stärken in Präzisionsmechatronik, Systemintegration und industrieller Fertigungstechnologie voll ausspielen könnten.

Warum nicht Antriebssysteme, Lager oder Getriebe für den Zukunftsmarkt humanoide Robotik herstellen statt für Autos? Branchengrößen wie Schaeffler oder Bosch haben den Markt bereits für sich entdeckt und sind in die Entwicklung und Produktion eingestiegen. Wie Komponentenhersteller durch die Umstellung ihrer Fertigung auf technische Bauelemente für Humanoide profitieren können, analysierte Bezold gemeinsam mit Experten des Fraunhofer IPA und der Unternehmensberatung P3, die 1996 aus dem Institut ausgegründet wurde und auf Kunden aus der Automobil- und Fertigungsindustrie spezialisiert ist. Vor Kurzem veröffentlichten sie ihre Ergebnisse in einem Whitepaper. Bezold: »Seitdem rennen uns hier interessierte Firmen förmlich die Bude ein. Ich führe jeden Tag mehrere Gespräche.« In Workshops geben er und sein Team einen Überblick über den Markt, klären über den technologischen Stand, noch vorhandene Mängel und Engpässe auf und informieren über Kooperationsmöglichkeiten mit dem Fraunhofer IPA. Die sind vielfältig und reichen von einer Beratung darüber, wie die eigenen Produkte verändert werden müssen, um für den Robotik-Markt attraktiv zu sein, bis hin zur Integration und Testung von Komponenten in den institutseigenen Humanoiden sowie gemeinsamen Forschungsprojekten.

Gefragt sind vor allem Antriebe, die energieeffizient, klein und leicht sind, dabei trotzdem leistungsstark und robust. 30 bis 50 Elektromotoren sind in der Regel in einem Humanoiden verbaut, um ihm eine menschenähnliche Beweglichkeit zu ermöglichen – Hände ausgenommen. Dabei müssen die Motoren wie Muskeln im Körper an unterschiedliche Anforderungen und Bauräume angepasst sein. Beine und Hüfte brauchen beispielsweise viel Kraft, um das Körpergewicht zu tragen und das Gleichgewicht zu halten. Für die Feinmotorik reichen hingegen weniger leistungsstarke Motoren, die dafür aber eine sehr genaue Positionierung ermöglichen und besonders kompakt sein müssen. Tests mit humanoiden Robotern am Fraunhofer IPA zeigen, dass aktuelle Antriebssysteme erheblich unter Verschleiß, ineffizienter Energienutzung und Wärmeentwicklung leiden. Frey erklärt: »Die Motoren werden sehr heiß, weil sie je nach Körperhaltung und Anwendung hohe Kräfte auf engem Raum erzeugen müssen. Sie arbeiten ständig gegen die Schwerkraft, müssen das Gewicht des Roboters ausbalancieren. Dadurch entstehen hohe elektrische Ströme und viel Wärme.« Dabei bleibe nur wenig Platz für Kühlsysteme – eine von vielen Herausforderungen.

Dr. Florian Weißhardt: »Die Nachfrage nach Antrieben für Humanoide ist in den vergangenen Monaten bei uns explodiert.« Der Robotik-Ingenieur und Head of Intelligence beim Motion-Control-Spezialisten Synapticon in Schönaich bei Stuttgart entwickelt gemeinsam mit dem Fraunhofer-IPA-Team Aktoren für Humanoide, die nicht nur den technischen Anforderungen gerecht werden, sondern auch eine sichere Zusammenarbeit mit Menschen ermöglichen sollen. Frey: »So ein Roboter kollabiert ja, wenn man den Strom abschaltet. Dann fällt er unkontrolliert zu Boden und geht kaputt oder er stürzt im schlimmsten Fall auf einen Menschen und verletzt ihn.« Ein »Not-Aus«, also ein Unterbrechen der Energieversorgung, wie es bei festinstallierten Industrierobotern im Störfall üblich ist, ist daher keine Option.

Im Projekt MARCH arbeiten das Fraunhofer-IPA-Team und Synapticon deshalb daran, Humanoiden das kontrollierte Fallen beizubringen. Dafür konstruierten Frey und sein Kollege Robert Mokry eigens den Hybrid-Humanoiden BiBiRob, dem Oberkörper, Kopf und Arme fehlen. Frey: »Für die Fallanalysen reichen uns ja die Beine.« Statt auf Füßen balanciert BiBiRob auf Rädern, was ihn energieeffizienter macht.

Die Beinkinematik haben Frey und Mokry so gestaltet, dass durch die Auslegung des Massenschwerpunkts und die bewusste Einschränkung der Bewegungsfreiheit nur bestimmte Fallrichtungen möglich sind. Mit einem eigens entwickelten Bewegungscontroller lassen sich außerdem die Geschwindigkeit und die Aktionsräume begrenzen sowie Kräfte und Beschleunigungen überwachen, um gravierenden Beschädigungen vorzubeugen. Kombiniert mit einem Aktor von Synapticon soll der Sturz des Humanoiden gezielt gesteuert werden können. Weißhardt: »Wir verwenden ein innovatives Feature, mit dem sich die Dämpfungseigenschaften jedes Motors genau einstellen lassen, sodass wir im Fehlerfall ein Bein weichschalten können und das andere hart. Der Humanoid fällt dann entsprechend zur Seite.« Kombiniert mit einer sicheren Menschenerkennung könne in einer Notsituation der Humanoid weggelenkt und eine Kollision vermieden werden. Mokry ergänzt: »Wenn Humanoide nur hinter Schutzzäunen betrieben werden wie herkömmliche Industrieroboter, könnten wir ihre Stärken nicht nutzen – vor allem nicht ihre Mobilität und ihre hohe Flexibilität.«

Bald wollen Weißhardt, Frey und Mokry erste Falltests in der Versuchshalle des Fraunhofer IPA machen. Damit BiBiRob nicht nach jedem Sturz repariert werden muss, wird die Testumgebung mit Schaumstoff gepolstert und der Roboter mit einem Seil gesichert.

Sollte der Aktor mit dem Sicherheitsfeature die Tests bestehen, ist Synapticon auf der Suche nach Partnern, die diesen, aber auch andere bereits entwickelte Prototypen in großer Stückzahl herstellen können. Weißhardt: »Bereits heute bekommen wir Anfragen von Zulieferern aus der Automobilindustrie, die ihre Produktion umstellen wollen. Da ist jeder hochwillkommen, denn die haben genau das Fertigungs-Know-how, das wir suchen.« Viele der europäischen und amerikanischen Humanoid-Hersteller bevorzugten zudem technologische Komponenten aus heimischer Produktion, um sich mit ihrer Zulieferkette unabhängig von China zu machen.

Leistungsfähige Hardware und Sicherheit sind entscheidende Voraussetzungen dafür, Humanoide tatsächlich in die industrielle Anwendung zu bringen. Damit es in den Fertigungshallen jedoch nicht bei einfachen Hol- und Bring- oder Greif- und Ablage-Aufgaben bleibt und sich die teuren menschenähnlichen Helfer lohnen, müssen vor allem die Roboterhände deutlich manipulationsfertiger und feinfühliger werden. Immerhin sollen die technologisch ausgereiftesten Modelle wie der Atlas-Roboter bis zu 300 000 US-Dollar kosten – je nach Ausstattung und Einsatzszenario.

Prof. Norbert Elkmann, Abteilungsleiter Robotersysteme am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg: »Die menschliche Hand ist einzigartig. Sobald sie ein Objekt erfasst, spürt sie sofort das Gewicht, die Oberflächenstruktur, die Temperatur. Unglaublich viele Informationen werden über die Hände automatisch generiert. Das macht ihre Nachbildung so schwierig.«

Gemeinsam mit seinem Team hat er taktile Sensoren entwickelt, die Roboterhände empfindsamer machen. Sie bestehen aus piezoresistiven Polymerkompositen – einem speziellen Mix aus Kunststoff und weiteren Materialien, dessen elektrischer Widerstand sich bei Druck verändert. Je kräftiger die Polymerkomposite zusammengedrückt werden, desto mehr Strom fließt. Damit der Sensor eine Ortsauflösung bekommt, befinden sich auf ihm viele kleine Messfelder. Elkmann: »Mithilfe einer von uns ebenfalls entwickelten Software, die diese Informationen auswertet, wissen wir immer genau, an welchem Kontaktpunkt im Greifer oder in der Roboterhand unser Objekt mit welcher Kraft anliegt. Dadurch können wir es so ausrichten, dass es sich beispielsweise in eine Maschine korrekt einlegen lässt.« Dabei erkennen die Sensoren auch, ob ein Objekt aus der Hand zu rutschen droht, sodass noch mal nachjustiert werden kann. Über die Materialzusammensetzung können die Forschenden die Empfindsamkeit der Sensorzellen steuern. Elkmann: »Wir haben auch schon Sensoren gebaut, bei denen ein Luftzug ausreichend war, um ein Signal zu erzeugen.« Im Unterschied zu herkömmlichen Lösungen lassen sich die innovativen, robusten Sensoren aus dem Fraunhofer IFF problemlos biegen, ohne dass Fehlsignale entstehen. Sie könnten daher auch in flexible Strukturen wie Handschuhe integriert werden, die man wie eine künstliche Haut über Roboterhände zieht. Erste Gespräche mit Herstellern laufen bereits. Elkmann: »Damit haben wir die Basis geschaffen, um die haptischen Fähigkeiten des Menschen nachzuahmen. Trotzdem sind wir noch weit von der Fingerfertigkeit der menschlichen Hand entfernt.«

Hier in die Entwicklung einzusteigen, lohnt sich, glauben auch die Autoren des Whitepapers aus dem Fraunhofer IPA und der Unternehmensberatung P3. Geschickte Hände sind das Hardware-Element, das die Kosten eines humanoiden Roboters am stärksten beeinflusst. Mit 70 000 US-Dollar oder mehr muss man für ein Paar hochwertiger Roboterhände rechnen. In ihnen sind bis zu 20 Aktoren verbaut. Die Finger enthalten sehr kleine Motoren mit feinen Getrieben, die präzise, aber trotzdem kräftig sind und extreme Scherkräfte aushalten müssen. Der Bedarf an optimierten Antriebs-, aber auch an Sensor-, Struktur- und Energiekomponenten ist groß.

Bezold: »Die Industrie muss jetzt schnell mit der Entwicklung und Produktion dieser und weiterer Komponenten starten, um sich einen Platz in der Lieferkette zu sichern.« Doch ohne deutsche Roboter-Hersteller werde man langfristig kaum Erfolg haben. Damit ein mit der Autoindustrie vergleichbares Zulieferer-Ökosystem wachsen kann, brauche es Unternehmen wie VW, BMW, Audi oder Mercedes. Zurzeit gibt es jedoch in Deutschland nur zwei größere Unternehmen, die Humanoide entwickeln: Neura Robotics und Agile Robots.

Mit dem »KI-Robotikbooster«, der Teil der sogenannten »Hightech Agenda« ist, will die Bundesregierung KI-basierte Robotik und Embodied AI aus Deutschland international wettbewerbsfähig machen. Für Forschung und Entwicklung stellt sie 100 Millionen Euro bereit. Das sei ein wichtiger Schritt, werde jedoch allein nicht reichen, ist Bezold überzeugt. Der Fortschritt in der humanoiden Robotik sei rasant. Gerade entscheide sich, ob Europa ein zentraler industrieller Akteur im Bereich der humanoiden Hardware werde oder weiter hinter China und den USA zurückbleibe. Schon bald werden die Humanoiden die Tanzshows verlassen und an Werkbänken ihre Aufgaben übernehmen. Bezold: » ›Time of Dancing is over‹, wie man im Englischen sagt.«