Humanoid: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 5. November 2009, 14:45 Uhr

Ein Humanoid ist ein menschenähnlicher Roboter. Per Definition sind zwei Beine und ein Körper (Rumpf) Voraussetzung für diese Menschenähnlichkeit, nicht jedoch Arme oder ein Kopf.
Ist dieser humanoider Roboter einem Menschen täuschend ähnlich und verhält er sich auch menschenähnlich, spricht man von Androiden.

Humanoide Roboter in der Science Fiction

Oberkörper eines Roboters - Modell nach Leonardo DaVinci

Von den Anfängen...

Die Idee, künstliche Wesen nach Vorbild des Menschen herzustellen, ist schon recht alt. Schon bei den alten Grichen findet man das Wort "Homunculus" (kleiner Mensch). Belegt sind Untersuchungen zur Schaffung künstlicher Menschen aus dem 13. Jahrhundert, in Paracelsus Schrift De natura rerum von 1538 erhält das Wort seine endgültige alchemistische Bedeutung. Die letzte große Nutzung des Motivs eines Homunculus ist in Goethes Faust II von 1826 zu finden.
Im Gegensatz dazu ist die Legende des Golems (hebräisch: ungeformt) aus Lehm zu sehen. Erstmalig wird sie im 12. Jahrhundert erwähnt. Die heute bekannteste Version kam etwa um 1725 auf und stellt eine Verbindung zwischen dem historischen Rabbi Löw (1525 - 1609) und der mit Magie zu erklärenden Schaffung eines Golem her.
Leonardo da Vinci fertigte bereits im 15. Jahrhundert Skizzen zu mechanischen Androiden an, es fehlten jedoch die technischen Möglichkeiten zu deren Umsetzung.

Neu belebt wurden die Phantasien um die Schaffung künstlicher Menschen zu Beginn des 20. Jahrhunderts; die Erfindung des Spielfilms sowie der wachsende technische Foertschritt machten dies möglich. Metropolis von 1927 gilt als einer der Wegweiser des phantastischen Films, der dort gezeigte "Maschinenmensch Maria" ist der erste Roboter der Filmgeschichte.

Die Bezeichnungen Roboter und Robotik (als technisches Gebiet der Roboterentwicklung) wurden 1942 von Isaac Asimov im Rahmen einer Kurzgeschichte erfunden und seitdem begrifflich ständig weiterentwickelt.

R2D2 und C3PO aus Star Wars - LucasFilm

... bis heute!

Science-Fiction-Filme sind seit Anfang der 50'er-Jahre ein fest etabliertes Genre, und immer wieder tauchen dort auch humanoide Roboter in Haupt- oder bedeutsamen Nebenrollen auf. Eine kleine Aufzählung von Filmen oder Serien (teils mit Kultstatus) und den darin vorkommenden Robotern:

• Der Tag, an dem die Erde stillstand (1951) - Gort
• Westworld (1973) - Gunslinger (gespielt von Yul Brynner)
• Die Star-Wars-Saga (1977–2005) - C3PO
• Kampfstern Galactica (1978) - Zylonen
• Star Trek TNG (1987–1994) - Data
• Der 200-Jahre-Mann (2000) - Andrew Martin (gespielt von Robin Williams)
• A. I. – Künstliche Intelligenz (2001) - David, Gigolo Joe
• I, Robot (2004) - Sonny

Zu Anfang stand die "Tücke des Objekts" im Vordergrund, die Schwierigkeiten des Menschen mit unkontrollierbaren oder außer Kontrolle geratenen Robotern. Dies hat sich in der Zwischenzeit zu philosophischen Betrachtungen gewandelt, in denen Fragen nach dem Menschsein oder dem Sinn der gezeigten (möglichen) technischen Weiterentwicklung gestellt werden.

Technische Schwierigkeiten

Gelenke und Freiheitsgrade

Gelenke unterscheiden sich generell nach den ihnen möglichen Bewegungsarten. Hierbei unterscheidet man zwischen Rotationsgelenken (Drehungen), Translationgelenken (geradlinige Bewegungen) sowie Kombinationen daraus.
In den Naturwissenschafen (hier die uns besonders interessierenden Gebiete Medizin und Technik) werden Gelenke nicht nur nach diesen Bewegungsarten unterschieden, sondern auch noch über den Begriff der Freiheitsgrade f eingeteilt. Unteschiedliche Bewegungsarten können den gleichen Freiheitsgrad besitzen, woraus folgt, daß der gleiche Freiheitsgrad nicht die gleiche Bewegungsart bedeuten muß.

Die für die Betrachtung der menschlichen Fortbewegung wichtigsten Gelenkarten sind das Drehgelenk mit f = 1 (Knie, technische Realisierung mit einem Motor) sowie das Kugelgelenk mit f = 3 (Hüfte und Fuß; technische Realisierung mit zwei Motoren möglich). Auf Grund der Addition von Freiheitsgraden besitzt ein einzelnes menschliches Bein also einen (theoretischen) Freiheitsgrad von f = 7.

Eigenheiten der menschlichen Fortbewegung

Die menschliche Fortbewegung ist eine hochkomplexe Angelegenheit und besteht hauptsächlich aus den drei, im folgenden genannten Bewegungsarten:

• Stehen: Bewegungslos aufrechte Haltung auf beiden Beinen. Obwohl der Mensch unbewußt steht (d.h. keine geistige Anstrengung / Konzentration notwendig) ist dies doch eine aktive Handlung, da der Körper über den Gleichgewichtssinn die aufrechte Haltung permanent nachregeln muß.
• Gehen: Ein Bein wird vor das andere gesetzt; zu jeder Zeit hat jedoch ein Fuß Kontakt mit dem Boden. Ein Mensch geht ebenso unbewußt, wie er unbewußt steht.
• Laufen: wie zuvor, jedoch gibt es hierbei bestimmte Zeiten, zu denen kein Fuß Kontakt mit dem Boden hat. Laufen ist von der Mechanik her ebenfalls eine unbewußte Aktion, effektives Laufen (z.B. im Sport) erzwingt jedoch bewußte Handlungen (Konzentration auf Bewegungsabläufe, Atmung etc.).
• Weitere mögliche Bewegungsarten des Menschen, wie auf allen Vieren kriechend oder Hüpfen, sollen hier nicht betrachtet werden, da sie nicht zu den regulären Fortbewegungen gehören.

Biomechanische Untersuchungen haben gezeigt, daß Gehen und Laufen nichts anderes sind als ein "verhindertes Fallen nach vorn". Der Schwerpunkt wird nach vorne aus dem Körper heraus verlagert, die Beine versuchen dann, dieses Fallen zu verhindern und wieder ein Gleichgewicht herzustellen.

Technische Umsetzung

Bei den Überlegungen zur technischen Realisierung der menschlichen Bewegung genügt es nicht, allein die Beine zu betrachten. Auch das Becken sowie Bewegungen im Oberkörperbereich (Armschwung, Schultern usw.) spielen bei der menschlichen Fortbewegung eine Rolle. Es ist also zu überlegen, ob man so originalgetreu wie möglich werden will oder wo man Vereinfachungen zuläßt. - (Als Kind hatte ich mal einen Lauf-"Roboter". Ein Motor mit Exzenter bewegte die Beine nur in der Hüfte vor und zurück. Räder an der Unterseite der Füße sorgten für die Fortbewegung, diese konnten sich aber nur vorwärts drehen. ASIMO hingegen besitz 34 Freiheitsgrade, als mindestens 12 ihn bewegende Motore).

• Stehen: Ist am leichtesten umzusetzen. Sind die Füße genügend groß, so daß auch bei sich verändernden äußeren Einflüssen (z.B.: Wind) der Schwerpunkt den Körper nicht verlassen kann, so genügt es, die Gelenke zu arretieren.
• Gehen: Was der Mensch mit pendelnden Bewegungen der Arme und des Oberkörpers ausgleicht, ist bei einem Roboter ungleich schwieriger umzusetzen: Verlagerung des Schwerpunktes in Richtung des Standbeines, Anheben und Vorsetzen des freien Beines, Rückverlagerung des Schwerpunktes - und das alles nahezu gleichzeitig.
  Dies ist die komplizierteste Bewegungsform. Das merkt auch der Mensch an Hand torkelnder Bewegungen und beginnender Rückenschmerzen, wenn er zu lange zu langsam geht.
• Laufen: Ist relativ einfach umzusetzen, solange die Mechanik schnell genug für die geforderten Bewegungsabläufe ist: Schwerpunkt nach vorne aus dem Körper verlagern. Beine abwechselnd so setzen, daß der Schwerpunkt wieder nahe an den Körper herankommt. Die Kunst dabei ist es, den Schwerpunkt sich nur soweit vom Körper entfernen zu lassen, daß dies mit einem weiteren Schritt wieder aufgefangen werden kann. Gelingt dies nicht, fällt man (Mensch und Roboter).

Praktische Umsetzung

Laufroboter YETI

Experimentelle humanoide Roboter

Folgende Modelle von humanoiden Robotern sind (u.a.) in Deuschland im Handel erhältlich:

• YETI YT-3000 (AREXX Engineering) - ca. 100€
• Fischertechnik Robo Mobile Set - ca. 250€
• Lynxmotion BRAT - ab ca. 280€
• Robotis Bioloid Edutainment Robot Kit - ab ca. 350€
• Lynxmotion "Biped Scout" - ab ca. 650€
• Kondo KHR-2HV - ca. 750€
• Kondo KHR-1HV - ca. 1000€

Sie eignen sich (bei entsprechendem Geldbeutel) jedoch nur für interessierte Robot-Bastler, die der Programmierung von Bewegungsabläufen den Vorzug geben und den nicht unerheblichen mechanischen Aufbau vorerst vermeiden wollen.

ASIMO beim Treppensteigen

Androide Forschungsroboter

• ASIMO, Honda, Japan
• Repliee Q1 / Repliee R1, Universität Osaka, Japan
• Geminoid HI-1, ATR, Japan

Bei den letztgenannten Modellen handelt es sich um Studien, bei denen im Kopf- und Oberkörperbereich mit pneumatischen Mitteln die menschlische Mimik und Gestik nachgeahmt wird. Eine Silikonhaut sorgt für das menschenähnliche Aussehen. Die Beweglichkeit im unteren Bereich (Gehen und Laufen) ist eher bescheiden...

iCub - RobotCub-Vereinigung

Humanoide Roboter in der K.I.-Forschung

• RobotCub, Universitäten in Italien und Großbritannien
• COG und Kismet, MIT, USA
• ERATO Synergistic Robotics, Universität Osaka, Japan

... und die Zukunft?

• Persönliche Meinung: Die Fortbewegung auf zwei Beinen zeigt gegenüber anderen Bewegungsapparaten mit mehr Beinen sowie den technischen Antrieben (Räder, Ketten etc.) keine Vorteile, besitzt jedoch einige gravierende Nachteile. Konstruktion zweibeiniger Roboter und das Studium der bipeden Bewegung ist akademischer Natur...
• In Japan wird überlegt (auch durch den Erfolg von ASIMO bedingt), ob Pflegedienste von humanoiden Robotern übernommen werden könnten. Der psychologische Effekt der Menschenähnlichkeit spielt hierbei ebenso eine Rolle wie Hygienegründe (Roboter als Betreuer in Quarantänebereichen) sowie eine "Rund-um-die-Uhr-Verfügbarkeit".
  Bisher scheitern diese Überlegungen an massiven fianziellen Problemen (bei ASIMO munkelt man bei den Entwicklungskosten über den Preis von einer dreistelligen Millonensumme...)
• Mit dem Fortschreiten der Biomechanik könnte es möglich werden, fehlende oder gelähmte Gliedmaßen durch mechanische Prothesen zu ersetzen, die dank Robotertechnik in ihrer Funktionalität von echten nicht mehr zu unterscheiden sind.
• ... doch was die Zukunft bringt, wird erst die Zukunft zeigen. Wird dann entsprechend fortgesetzt ...

Quellen

• The Internet Movie Database
• Wikipedia
• LucasLilm Ltd.
• RobotCub.org
• Honda - ASIMO-Homepage

Autor

Initiator: --Tocer
Fertig... --Williwilli 05. Nov 2009 (CEST)