Roboter in der Katastrophenhilfe

Wenn nach einem Unglück die Umgebung verseucht ist, etwa durch Radioaktivität wie im japanischen Fukushima oder durch Giftstoffe wie aktuell im chinesischen Tianjin, wird die Rettung von Opfern für die Bergungsteams gefährlich. „Technische Systeme können Gefahrenherde und Opfer an der Unglücksstelle erkennen und die Bergungsteams informieren.

Die Einsätze von Rettungskräften können damit sicherer und effizienter werden“, erklärt Prof. Dr. Bärbel Mertsching von der Universität Paderborn. Gemeinsam mit ihren 16 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern im GET Lab sowie mit Studierenden forscht Mertsching seit 2007 an den Grundlagen zur Entwicklung intelligenter Rettungsrobotik.

Denn bislang steckt die Technik noch in den Kinderschuhen: Aktuell sind so genannte teleoperierte Systeme in Betrieb. Das heißt, der Mensch steuert den Roboter und gibt ihm Befehle. Der Roboter führt nur aus, kann weder selbst Schritte überlegen noch eigene Entscheidung treffen – im für Mensch und Maschine unbekannten Gelände ein Nachteil. „Nach einem Unglück, beispielsweise einem Erdbeben, verlieren Landkarten ihre Gültigkeit. Das Navigieren im unwegsamen Gelände ist kaum möglich und die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine kann leicht abreißen“, erläutert Mertsching.

Gelände erkunden, Opfer ausfindig machen, Gefahrenquellen ausschalten
Daher ist es u. a. Ziel des GET Lab einen autonomen Roboter zu entwickeln, der seine Umgebung selbständig erkundet, Opfer sucht und zeitgleich für die Retter eine Karte erstellt. Der Roboter GETbot kann bereits mit Hilfe eines 2D-Laserscanners, einer Video- und 3D-Kamera seine Umgebung erfassen und mögliche Wege identifizieren. Dabei erfasst GETbot mit dem Laser die Entfernung zu Objekten in seiner Umgebung und erstellt eine virtuelle Karte. Die Schwierigkeit dabei liegt im Gelände: Kommt der Roboter auf seinen vier Rädern ins Rutschen, misst er andere Entfernungspunkte als zuvor auf gerader Strecke. Die so erstellte Karte weicht von der vorherigen ab. „Eine Herausforderung für uns ist es, hier ein Verfahren zu entwickeln, das diese Karten wieder übereinstimmen lässt“, erklärt Mertsching. Über eine Thermokamera kann GETbot Temperaturunterschiede in seinem näheren Umfeld ausmachen. Dabei werden kleinste Temperaturschwankungen sichtbar, so dass auch verschüttete Personen ausfindig gemacht und auf der Karte verzeichnet werden können. Über diese und weitere Sensoren können auch Vitalfunktionen von Opfern gemessen werden. So misst ein CO2-Sensor die mögliche Atmung der Opfer.

Für Aufgaben, die eine hohe Geländegängigkeit fordern, wird ein weiterer Roboter teleoperiert betrieben: GETjag. Das kleine Raupenfahrzeug ist mit seinen vier einzeln beweglichen Kettenlaufwerken –  Flipper genannt – in der Lage, auch unebene steile Untergründe zu befahren oder Treppen zu bewältigen. Eine Kamera an einem steuerbaren Arm liefert Bilder vom Terrain. GETjag ist, anders als GETbot, in der Lage, über den Greifer am Arm Kontakt zu den Opfern aufzunehmen. Mithilfe dieses Arms kann der Roboter auch Gefahrenquellen wie eine offene Gasleitung bewältigen, indem er das zugehörige Ventil durch ausgewertete 3D-Daten im Raum ausfindig macht und schließt. Hierzu arbeiten die Forscher an der automatisierten Erkennung von Gefahrenzeichen, die auf hochexplosive oder giftige Stoffe hinweisen. Mertsching: „In Zukunft könnten Rettungsroboter solche Gefahrenquellen für die nachfolgenden Rettungsteams ausschalten und weitere Unglücke vermeiden.“

Von der Natur lernen
Dabei sind gerade die einfachen Fragen die kniffligsten für das Team: Wie erkennt der Roboter eigenständig Hindernisse auf seinem Weg, um eine Kollision zu vermeiden? „Um die Ecke schauen, Interesse an akustischen oder visuellen Reizen zeigen und darauf reagieren, das eigene Vorwissen nutzen – für den Mensch einfache Aufgaben sind für diese technischen Systeme bislang unmöglich“, erläutert Mertsching. Bei der Grundlagenforschung in der Bildverarbeitung und Objekterkennung bedienen sich die Forscher Vorbildern aus der Natur. Wie erfasst ein Menschen oder ein Tier seine Umgebung und wie lässt sich dies auf ein technisches Modell übertragen? Für ihre Lösungen vereinen die Forscher Ansätze aus Technik, Biologie und Psychologie. „Diese Grenzbereiche zwischen Mensch und Maschine machen die Arbeit besonders spannend.“

Roboter im Wettbewerb
Neben 3D-Simulationen am Computer oder real im Paderborner Labor, misst sich das GET Lab regelmäßig in nationalen und internationalen Wettbewerben mit anderen Teams, wie bei der Rettungsliga der Robocup German Open. In großen Hallen werden dabei Parcours aufgebaut. Auf unterschiedlichen Untergründen, unbekannten Streckenverläufen mit Spalten, Steigungen und Absenkungen müssen die Rettungsroboter Aufgaben zum autonomen und teleoperierten Verhalten in den Bereichen Erkundung, Greifen, Manipulation und Inspektion meistern. Vom Erstellen einer Karte und Auffinden einer Person bis hin zum Schließen eines Ventils müssen die Roboter nahezu reale Situationen eines Katastrophenfalls bewältigen. Bewertet werden die Teilnehmer nach den vom US National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelten Kriterien.

Zukünftig sollen die autonomen Systeme zusammenarbeiten. Damit dies gelingt, müssen die Roboter miteinander kommunizieren können. Zusätzlich soll eine Drohne die bodengestützten Systeme GETbot und GETjag auf ihrer Suche nach Opfern im simulierten Katastrophengebiet unterstützten. Bis autonome Rettungsrobotersysteme den Menschen in der Katastrophenhilfe vollständig ersetzen können, wird es allerdings noch dauern.