Praxis -

Mit mobiler Robotik gegen das Corona-Virus

Um die Ausbreitung des Corona-Virus einzudämmen, hat das Fraunhofer IPA den Prototyp eines mobilen Reinigungs- und Desinfektionsroboters entwickelt. Er fährt selbstständig zu potenziell kontaminierten Objekten und desinfiziert sie.

Der Prototyp des mobilen Desinfektionsroboters mit dem Namen DeKonBot ist eine Automatisierungslösung, die das Reinigen und Desinfizieren von zum Beispiel Türgriffen, Lichtschaltern oder Aufzugknöpfen eigenständig ausführt. Verglichen mit dem Reinigen von Hand soll der Robotereinsatz das Infektionsrisiko bei den Reinigungskräften reduzieren und gleichzeitig dafür sorgen, dass die Reinigung zuverlässig und nachvollziehbar ausgeführt wird. Durch den kontinuierlichen Betrieb auch während der Nacht könne die Reinigung häufiger als im manuellen Betrieb erfolgen.

Gegenüber verfügbaren Roboterlösungen am Markt unterscheidet sich DeKonBot nach Aussage seiner Entwickler in mehrerlei Hinsicht. Zum einen gezielt und direkt und versprühe die einzusetzenden Mittel nicht wie verschiedene andere Roboter großflächig im Raum. Dies spare nicht nur Desinfektionsmittel und Zeit, weil die zu reinigende Fläche auf das Wesentliche begrenzt wird, sondern verhindere auch Gefahren wie ein Ausrutschen auf feuchten Flächen oder das Einatmen potenziell schädlicher Mittel. Zum anderen sei der Roboter sicher unter Menschen einsetzbar. Desinfektionsroboter, die beispielsweise UV-Strahlen für das Abtöten von Viren nutzen, bedürfen aus Sicherheitsgründen einer menschenleeren Umgebung – so die Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung.

Damit DeKonBot erfolgreich arbeiten kann, wird er anfangs mithilfe eines Tablets, das auch ohne Robotik-Expertise zu bedienen ist, in seiner neuen Einsatzumgebung eingelernt. Im ersten Schritt fährt das Bedienpersonal den Roboter einmal durch die Umgebung, wobei dieser eigenständig eine Karte seiner Einsatzumgebung erstellt. Zudem zeigt der Anwender dem Roboter die zu reinigenden Objekte und die durchzuführende Reinigungsbewegung: Zu diesem Zweck führt der Anwender den Roboterarm mit dem Desinfektionswerkzeug zum Beispiel zum Türgriff und bewegt das Werkzeug, wie es für die Reinigung erforderlich ist. Der Roboter speichert die Bahn ab und kann sie im Folgenden selbstständig wiederholen.

Objekterkennung (noch) mithilfe von Tags

Das Erkennen der zu reinigenden Objekte erfolgt aktuell noch mithilfe sogenannter Tags, also kleiner, schwarzweißer Schilder. Relativ zu diesen positioniert sich der Roboter. Künftig werden keine Tags mehr gebraucht. Vielmehr werden neu am Fraunhofer IPA entwickelte Methoden zum Einsatz kommen, die zum einen die automatische Erkennung dieser Objekte in Kameradaten ermöglichen. Zum anderen wurde im Projekt ein neuer 3D-Sensor entwickelt, der die zu reinigenden Objekte und ihre Lage im Raum besser als verfügbare Sensoren erkennt – beispielsweise auch, wenn es sich um eine metallene, spiegelnde Oberfläche handelt. Basierend auf diesen Erkennungsfunktionen kann der Roboter in der finalen Ausbaustufe die Reinigungsbewegungen automatisch planen und ausführen.

Gezielt und sicher desinfizieren

Der Prototyp ist das Ergebnis einer gemeinschaftlichen Entwicklung der IPA-Abteilungen Roboter- und Assistenzsysteme, Laborautomatisierung und Bioproduktionstechnik sowie Reinst- und Mikroproduktion. DeKonBot erhielt dabei Förderungen aus dem internen Programm der Fraunhofer-Gesellschaft „Anti-Corona“, mit dem diese umfassende Forschungs- und Innovationsaktivitäten zur Bekämpfung der Pandemie realisiert.

Bereits im April 2020 fand eine erste Machbarkeitsuntersuchung statt, für die noch ein einfaches Sprühwerkzeug zur Desinfektion zum Einsatz kam. „Nur vier Monate später konnten wir den Roboter mit seinem neuen Werkzeug für die Wischdesinfektion in Betrieb nehmen – und das trotz der Einschränkungen, die die Corona-Pandemie auch für uns Fraunhofer-Mitarbeitende mit sich brachte“, erklärt Dr. Birgit Graf, Gruppenleiterin für Haushalts- und Assistenzrobotik und verantwortlich für die Entwicklung von DeKonBot.

Die Entwicklung des Prototyps profitierte zudem von umfangreichen Vorarbeiten des Instituts in der mobilen Service- und Reinigungsrobotik. So wird beispielsweise die mobile Plattform des Assistenzroboters Care-O-bot 4 genutzt, die bereits von einer Ausgründung des Instituts als Serienprodukt vertrieben wird. Vorhandene Softwaremodule für die Navigation, 3D-Objekterkennung und Manipulation konnten anwendungsspezifisch weiterentwickelt werden. Im Herbst letzten Jahres starteten die ersten Dauertests des Roboters in den Büroräumen des Fraunhofer IPA. Aktuell erprobt Gegenbauer Services die Lösung am Standort Stuttgart (Lesen Sie dazu das Interview mit Jenö Borbely, Leiter Anwendungstechnik Gebäudereinigung bei Gegenbauer).

DeKonBot aus Sicht eines Gebäudedienstleisters

Jenö Borbely, Leiter Anwendungstechnik Gebäudereinigung, Gegenbauer.

Herr Borbely, was hat Gegenbauer konkret dazu veranlasst, bei DeKonBot mitzumachen?

Jenö Borbely: In meiner vorherigen Tätigkeit als Produktmanager habe ich Erfahrungen in einem gemeinsamen Projekt BakeR mit dem Fraunhofer sammeln können. (Anm. d. Red.: BakeR steht für Baukastensystem für kosteneffiziente, modulare Reinigungsroboter). Von daher gab es bereits eine intensive Zusammenarbeit mit dem Institut in Stuttgart und es lag nahe, das Thema Robotik nun auch bei Gegenbauer zusammen mit Fraunhofer und im Rahmen des neuen Projektes DeKonBot weiter zu entwickeln. Dies insbesondere auch angesichts der aktuellen Corona-Pandemie, in der wir intensiv nach neuen Techniken und Prozessen suchen, um gegen das Virus anzukämpfen und präventive Maßnahmen zu integrieren. Ein Roboter, der in der Lage ist, bei der Desinfektion zu unterstützen, wäre in diesem Kontext ideal.

Wo sehen Sie konkrete Einsatzszenarien für eine solche Lösung, sollte diese die Marktreife erlangen?

Jenö Borbely: Anwendungen sehe ich insbesondere in öffentlichen Bereichen mit starkem Publikumsverkehr – etwa in Verwaltungsgebäuden, in Einkaufszentren, aber auch im Gesundheitswesen. Wir kennen ja alle die aktuelle Personalsituation in der Gebäudereinigung. Durch einen Roboter bekämen wir grundsätzlich eine zusätzliche Unterstützung und könnten somit unsere Personaleinsätze flexibler und effizienter gestalten. Mit anderen Worten: Die Reinigungskräfte müssten nicht mehr – wie bis dato üblich – stündlich durch ausgedehnte Gebäude wandern, um zum Beispiel Türgriffe oder Fahrstuhl-Bedienfelder zu desinfizieren. Stattdessen könnten sie sich komplexeren Aufgaben widmen.

Ein weiterer Vorteil der Robotik ist, dass stets eine gleichbleibende Reinigungsqualität gegeben ist, und es über eine Auswertung der automatisierten Reinigung unter Umständen leichter fällt, dem Kunden die erbrachte Leistung nachzuweisen. Nicht zuletzt könnten wir unsere Mitarbeiter selbst besser vor einer möglichen Infektion schützen, wenn sie weniger mit potentiell kontaminierten Bereichen in Kontakt kämen.

Sind neben den Tests in der Gegenbauer-Niederlassung in Stuttgart weitere Test auch bei Kunden geplant?

Jenö Borbely: Ja, und zwar zunächst bei EnBW-City in Stuttgart, einem unserer größten Kunden in Baden-Württemberg, der ebenfalls immer an Innovationen und innovativen Ansätzen interessiert ist.

An welchen Stellen sehen Sie noch Optimierungs- beziehungsweise Forschungsbedarf in puncto Robotik im Allgemeinen?

Jenö Borbely: Grundsätzlich haben wir beim Thema Robotik nach wie vor die Herausforderung der Infrastruktur in den Gebäuden. Die Robotertechniken an sich sind schon sehr ausgereift. Die Schwierigkeit ist allerdings: So ein Roboter kann keine Stufen oder Absatzkanten bewältigen, keine Türen öffnen und nur bedingt mit dem Aufzug fahren. Dementsprechend müsste man beim Thema Robotik konzeptionell andere Wege gehen – unter anderem dahingehend, dass man die Kunden auch beim erforderlichen Umbau der Infrastruktur berät und unterstützt. Ein Beispiel hierfür sind automatisch öffnende Türen. Stand heute ist es schlicht so, dass der menschliche Eingriffs- beziehungsweise Betreuungsbedarf beim Robotereinsatz mit geschätzten 20 Prozent nach wie vor recht hoch ist.

Ein anderes Thema ist die Wirtschaftlichkeit. Wenn die angesprochene Personalknappheit nicht gegeben ist und ein Robotereinsatz auch aus anderen Gründen wie etwa dem Infektionsschutz der eigenen Mitarbeiter nicht zwingend erforderlich ist, ist ein Einsatz solcher Maschinen bei heute üblichen Anschaffungskosten ab 40.000 Euro aufwärts nur schwer wirtschaftlich darstellbar.

Sie haben eingangs das Projekt BakeR angesprochen. War es dort nicht mit ein Ziel, den Reinigungsroboter in die Lage zu versetzen, eigenständig beispielsweise Türen zu öffnen?

Jenö Borbely: Das ist richtig, aber letztlich ließ sich dies so nicht umsetzen. Die Schwierigkeiten dabei fangen schon bei der Frage an: Was ist bei abgeschlossenen Türen? Benötigt der Roboter verschiedene Schlüssel? Sind einheitliche Türklinken verbaut? Die Aktorik ist meines Erachtens dahingehend noch nicht ausgereift beziehungsweise zu teuer.

Meiner Meinung nach muss man daher auch beim Thema Gebäudetechnik konzeptionell ganz neue Ansätze verfolgen. Ein ideales FM-Objekt sähe so aus, dass man wirklich nur noch mit Sensoren arbeitet, mit denen der Roboter kommunizieren kann. Damit ergeben sich dann weitere Fragestellungen: Wie steht es um die Verglasung im Objekt? Welche Bodenbeläge sind vorhanden? Sind geeignete Putzmittelräume vorhanden, mit den benötigten Anschlüssen um den Einsatz vom Dockingstations zu gewährleisten? Letztlich geht es auch um die “Barrierefreiheit“ für die Roboter. All dies haben sowohl die Industrie als auch die Gebäudetechnik noch nicht vollumfänglich auf dem Schirm.

In Dänemark hatte ich mir unlängst ein Krankenhaus angesehen, bei dem die dort eingesetzten Roboter bereits allesamt mit dem Gebäude kommunizieren. Dazu wurden beispielsweise die Fahrstühle sensorisch komplett umgerüstet und mit neuer Software bestückt. Genau dies sollte das eigentliche Ziel sein.

Bis zum Projektende im Februar wird der Roboter weiter optimiert. Messungen der Keimbelastung in den desinfizierten Bereichen dienen dabei dazu, den Mehrwert des Roboters zu verifizieren. Darüber hinaus greift das im Oktober vergangenen Jahres gestartete, ebenfalls von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderte Forschungsprojekt Mobile Desinfektion (MoDdi) Technologien des DeKonBot auf und entwickelt sie weiter.

Das Projekt MobDi

Im Oktober 2020 startete das Forschungsprojekt Mobile Desinfektion (MobDi). Darin bündeln zwölf Einrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft ihre Kompetenzen und entwickeln neue Technologien für mobile Desinfektionsroboter. Das Projekt wird – wie DeKonBot – vom Aktionsprogramm Fraunhofer vs.Corona gefördert.

Auch in MobDi (www.mobdi-projekt.de) geht es darum, potenziell kontaminierte Oberflächen zielgerichtet zu desinfizieren. Als zusätzliches Anwendungsfeld wird neben Gebäuden der öffentliche Personenverkehr betrachtet. Dafür realisieren die Forscher einen Roboter, der in dieser Umgebung zurechtkommt. Zudem erweitern sie die in DeKonBot erarbeiteten Methoden für die Erkennung und Lokalisierung der zu reinigenden Objekte auf relevante Kontaktflächen in Bus und Bahn.

Neu entwickelte Verfahren ermöglichen den Robotern, zu erkennen, aus welchem Material ein zu reinigendes Objekt besteht und womit und wie stark es verschmutzt ist. Zudem werden Untersuchungen dazu durchgeführt, inwiefern unterschiedliche Desinfektionsmethoden die Objekte möglicherweise beschädigen, wie gut sie auf verschiedenen Oberflächen wirken und ob für den Menschen gefährliche Nebenprodukte entstehen. Entsprechend diesen Informationen wählen die Roboter die geeignete Desinfektionsmethode. Dazu werden im Projekt Werkzeuge für die Desinfektion durch Wischen, Sprühen, UV- oder Plasmabehandlung entwickelt.

Koordiniert vom Fraunhofer IPA werden die entwickelten Technologien und Funktionalitäten aller Partner in einer umfassenden Systemarchitektur zusammengeführt. Dadurch sollen sie nicht nur auf dem DeKonBot einsetzbar sein, sondern sich einfach auch auf weitere Roboter übertragen lassen.

Serienreife im Blick

Noch habe Dekonbot seinen vollen Funktionsumfang nicht erreicht, aber bereits jetzt haben die Forscher des Fraunhofer IPA ein Konzept für ein späteres Serienprodukt ausgearbeitet. "Gemeinsam mit interessierten Firmen möchten wir den Serviceroboter in die Praxis bringen und damit einen Beitrag für den Wiederanlauf des öffentlichen Lebens auch in Corona-Zeiten leisten“, formuliert Dr. Birgit Graf die nächsten Ziele. Mehrere Reinigungsunternehmen, die in die Entwicklung des Roboters eingebunden waren, hätten bereits ihr Interesse am Einsatz des mobilen Desinfektionsroboters geäußert.

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