Das Reinigen und Desinfizieren häufig angefasster Oberflächen in öffentlichen Gebäuden ist eine gleichermaßen essenzielle wie aufwendige Arbeit. Insbesondere in Einrichtungen des Gesundheitswesens spielt sie eine wichtige Rolle. Im Rahmen des Forschungsprojektes RoReBo wurden entsprechende Hard- und Software entwickelt, damit Roboter perspektivisch das Personal hierbei unterstützen können.
Die Reinigungsrobotik weist seit Jahren starke Wachstumszahlen auf und inzwischen gibt es zahlreiche Hersteller und Vertriebsfirmen auf dem Markt. So zählte die International Federation of Robotics (IFR) 2023 rund 6.900 verkaufte Reinigungsroboter weltweit, ein Plus von acht Prozent gegenüber dem Vorjahr. Der Großteil davon (4800 Stück) reinigt große Bodenflächen in Hallen, Krankenhäusern oder an Flughäfen und Bahnhöfen. Der Rest entfällt auf Desinfektions- oder andere Reinigungsroboter. Erstere bieten typischerweise eine raumweite Oberflächendesinfektion mittels UV-C-Strahlung oder Sprühdesinfektion unter anderem in Patientenzimmern von Kliniken. Der Einsatz darf jedoch nur im menschenleeren Umfeld erfolgen, zudem erfüllen die Roboter nicht die gesetzlich vorgeschriebene Wischdesinfektion von Oberflächen.
Treiber für den Einsatz von Reinigungsrobotern gibt es mehrere. So ist es extrem zeitaufwendig, große Flächen sauber zu halten und das insbesondere in Zeiten, in denen qualifiziertes Personal schwierig zu finden ist. Zudem steigen die Aufwände für regelmäßige Arbeiten kontinuierlich, auch hinsichtlich der geforderten Nachweisbarkeit. Nicht zuletzt führt die Einführung der DIN 13063 Krankenhausreinigung zu Mehraufwänden. So müsste man eigentlich meinen, dass die Absatzzahlen von Reinigungsrobotern noch deutlich höher sein könnten.
Abseits der eingangs genannten Produkte gibt es bisher noch nicht viele Angebote am Markt. Das betrifft insbesondere Roboter für das Reinigen von Objekten im 3D-Bereich, also oberhalb des Bodens, wie Griffe, Schalter, Handläufe, Tische und weitere häufige Kontaktflächen. Diese Aufgaben können Roboter derzeit noch nicht übernehmen, obwohl sie insbesondere im Gesundheitswesen vielfach und sorgfältig durchgeführt werden müssen.
Wo die Technik heute steht
Insgesamt hat sich die Technologie von Reinigungsrobotern in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt. Insbesondere die Navigation in öffentlichen Bereichen und die vollständige Abdeckung großer Bodenflächen weisen einen hohen technischen Reifegrad auf und haben sich in zahlreichen Systemen in der Praxis bewährt. Aktuell liegt der Fokus vieler Hersteller von Bodenreinigungsrobotern darauf, die randnahe Reinigung zu verbessern und den Robotern die Reinigung enger, schwer zugänglicher Bereiche zu ermöglichen.
Nur wenige Firmen und Forschungseinrichtungen, darunter das Fraunhofer IPA, verfolgen derzeit die Reinigung von Oberflächen oberhalb des Bodens. Hierbei liegen die technischen Herausforderungen in der Wahrnehmung der Umgebung, damit die Roboter einzelne zusammenhängende Oberflächen erkennen und gezielt reinigen können. Dazu gehört auch, während der Reinigung alltägliche Hindernisse wahrzunehmen. Denkt man an das Abwischen von Tischen in Gemeinschaftsräumen oder Patientenzimmern, dürfen beispielsweise persönliche Gegenstände nicht versehentlich entfernt oder beschädigt werden.
Neben der Software ist in diesem Kontext die Weiterentwicklung der Hardware und insbesondere geeigneter Reinigungswerkzeuge ein wichtiger Aspekt. Diese müssen ausreichend flexibel sein, um Objekte mit verschiedenen Geometrien und Größen reinigen und eine angepasste mechanische Leistung aufbringen zu können, um Verschmutzungen zu lösen. Außerdem muss es eine Möglichkeit geben, um einer Keimverschleppung vorzubeugen.
Speziell im Gesundheitswesen gibt es allerdings einige Herausforderungen für diese Technologie. Zum einen muss sie den dortigen hohen Hygienestandards genügen. Zum anderen muss sie in komplexen und dynamischen Umgebungen funktionieren, deren genaue Beschaffenheit im Voraus meist nicht bekannt ist. Ein ebenso wichtiger Aspekt ist, dass Reinigungsroboter sicher und unproblematisch in der Nähe von Patienten, Bewohnern und Besuchern agieren und dennoch ihre Aufgabe zuverlässig und effizient durchführen können müssen. Die weiterführende Entwicklung von Reinigungsrobotern im Gesundheitswesen ist damit eine anspruchsvolle Aufgabe, die jedoch gleichzeitig ein hohes Potenzial birgt.
Das Forschungsprojekt RoReBo – Roboterbasierte Reinigung und Desinfektion von Böden und Oberflächen in Einrichtungen des Gesundheitswesens – hat sich dieser Entwicklung angenommen. Gefördert vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg im Rahmen des Förderprogramms Invest BW Innovation hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA im Projekt die Hardware- und Softwareentwicklung innegehabt.
DeKonBot 2 praxisorientiert weiterentwickelt
Dem Forschungsprojekt RoReBo gingen am Fraunhofer IPA bereits mehrere andere Projekte für die Reinigungsrobotik voraus. Die wichtigsten Vorarbeiten entstanden im Projekt MobDi – Mobile Desinfektion. Darin entwickelte das Projektteam bestehend aus Fachleuten mehrerer Fraunhofer-Institute erste Lösungen für das roboterbasierte Desinfizieren häufig angefasster Objekte in Büroumgebungen wie Türklinken und Lichtschalter. Insbesondere wurden Werkzeuge für die Reinigung und Desinfektion mithilfe von Bürsten, UV und Plasma konstruiert. Auch wurde der Reinigungsroboter DeKonBot 2 aufgebaut, der die Grundlage für RoReBo bildete.
Der DeKonBot 2 besteht aus einer mobilen Plattform, die autonom und sicher auch in belebten Umgebungen navigieren kann. Auf dieser Basis ist ein Industrieroboterarm beziehungsweise Manipulator aufgebaut, der alle relevanten Oberflächen für die Reinigung erreichen kann. Um die Oberflächen zu erkennen, ist er mit entsprechenden bildgebenden Sensoren ausgestattet. Über eine Bedienoberfläche auf einem Tablet kann das Reinigungspersonal den Roboter einlernen, damit er danach autonom die gelernten Objekte erkennt und reinigt.
Um für RoReBo zunächst passende Einsatzszenarien und die damit verbundenen Anforderungen an eine Weiterentwicklung des Roboters zu erfassen, besuchten zwei Mitarbeiter vom Fraunhofer IPA eine Gesundheitseinrichtung. Dort informierten sie sich über die täglichen Reinigungsprozesse von Fußböden und Oberflächen in Patientenzimmern und Fluren. Aus diesem Austausch mit potenziellen Anwendern entstanden umfassende Anforderungsanalysen hinsichtlich der Technologie. Unter Einbeziehung praktischer Relevanz und technischer Machbarkeit während der zweijährigen Projektlaufzeit wurden priorisierte Einsatzszenarien für den Roboter erfasst. Dazu gehören neben der im Vorgängerprojekt umgesetzten Reinigung von Türgriffen und Schaltern auch das Reinigen von Handläufen, Tischen und des Türblatts oberhalb der Klinke sowie das Öffnen von Türen.
Flexibles Reinigungswerkzeug und Türöffner-Funktion
Um DeKonBot 2 für das Gesundheitswesen einsetzbar zu machen, lag der Fokus im RoReBo-Projekt unter anderem auf der Entwicklung eines neuen Reinigungstools. Die vorher in den Büroumgebungen eingesetzten Bürsten bargen die Gefahr, Rückstände zu hinterlassen. Auch muss ein regelmäßiger Austausch der eingesetzten Reinigungsmaterialien und -medien von Vertretern des Gesundheitswesens gewährleistet sein.
Von diversen betrachteten Möglichkeiten boten Versuche mit einem weichen Kunststoffgreifer die besten Ergebnisse. Man spricht hier auch von einem Greifer mit Fish-Tail-Effekt. Dieser kann im geschlossenen Zustand Türgriffe weitgehend rundherum abwischen. Wenn er geöffnet ist, eignet er sich zum Wischen größerer flacher Oberflächen wie Tische. Da er aus zwei spreizbaren Greiferfingern besteht, könnte er in Mikrofasertücher schlüpfen, die hierfür zwei Taschen haben. Die Tücher ließen sich einfach austauschen und reinigen, ähnlich zu dem aktuell vom Reinigungspersonal im Gesundheitswesen verfolgten Ansatz.
Unterhalb des Reinigungstools ist noch ein stabiler Kunststoffhaken angebracht. Mit diesem kann der Roboter Türklinken herunterdrücken, um die Tür dann aufzudrücken und durch eine Vorwärtsbewegung der mobilen Basis die Tür vollständig zu öffnen. Da die Bewegungen relativ zur Klinken-Pose, also der genauen Position und Ausrichtung, erfolgen, sind sie auf andere Türen übertragbar. Diese Funktion ist entscheidend, um Reinigungsroboter für alle relevanten Flächen wie in Patientenzimmern einsetzbar zu machen. Denn aktuell kann kein auf dem Markt erhältlicher Serviceroboter – ob für die Reinigung oder sonstige Aufgaben wie Transport oder Interaktion – diese räumliche Hürde eigenständig überwinden.
Perspektivisch wird das Türöffnen zusätzlich mit einer Kraftregelung kombiniert, sodass der Roboter erkennt, ob die Tür leicht oder schwer zu öffnen ist und die passende Kraft einsetzen kann. Damit lässt sich auch die Sicherheit des Roboters verbessern, sodass er das Türöffnen abbricht, wenn zu hohe Kräfte auftreten – etwa, wenn eine Person hinter der zu öffnenden Tür steht.
Software ermöglicht Perzeption und Steuerung
Damit die beschriebene Hardware richtig agieren kann, braucht es softwareseitig die entsprechenden Funktionen. Dazu gehört eine leistungsstarke Objekterkennung, mithilfe derer der Roboter zu reinigende Objekte erkennt und seine Aktionen daran angepasst umsetzen kann. Bereits im MobDi-Projekt hatte das Fraunhofer IPA das Erkennen und Lokalisieren von Türgriffen basierend auf Verfahren des maschinellen Lernens entwickelt, welches hier unter Einsatz einer neuen Kamera weiterverwendet werden konnte. Neu entstanden sind Algorithmen zur Erkennung planer Oberflächen wie die von Tischen oder des Türblatts. Ersteres erlaubt es Robotern, größere Ablageflächen wie auch Beistelltische von Patienten zu reinigen. Letzteres ermöglicht es, den Bereich um den Türgriff sauber zu halten.
Sind die zu reinigenden Objekte erkannt, muss der Roboter daran angepasst seine Bewegungen planen und umsetzen. Hierfür entwickelte das Projektteam insbesondere einen Planungsalgorithmus für das effiziente Reinigen der planen Oberflächen. Dieser beinhaltet auch, dass die zu reinigende Oberfläche in hindernisfrei erreichbare Einzelbereiche zerlegt wird, für die dann ein zusammenhängender Pfad geplant wird. Um schwer erreichbare Flächen beispielsweise hinter Objekten zu erreichen, positioniert sich der Roboter um. Die Reinigungsbewegungen für die Türgriffe wurden ebenfalls an das neu entwickelte Werkzeug angepasst. Die Lokalisierung von Türgriffen und -klinken ermöglicht auch das autonome Öffnen von Türen. Hierfür wurden entsprechende Bewegungsmuster umgesetzt.
Ein weiteres Projektziel war, dass der Roboter auch Handläufe erkennen kann, wie sie in vielen Fluren von Gesundheitseinrichtungen typisch sind. Dies ist nicht ganz einfach, weil es keine Position gibt, in der der Roboter den Handlauf vollständig wahrnehmen könnte. Gerade die Tiefensensoren haben eine maximale Reichweite von wenigen Metern, was Handläufe oft nicht vollständig erfassbar macht. Das heißt: Der Roboter reinigt das, was aktuell im Sichtfeld und somit erreichbar ist und positioniert sich dann um. Dieses teilweise Erkennen löst das Problem, dass der Handlauf nicht auf einmal vollständig erkannt werden kann. Eine Option, um diesen Schritt noch zu verbessern, wäre die visuelle Nachregelung basierend auf einer echtzeitfähigen Erkennung. Das würde bedeuten, dass der Roboter am Handlauf entlangfährt und seine Armbewegungen auf Basis der Kameradaten an den Handlauf anpasst.
Das entwickelte Softwarepaket ist nicht nur für die Oberflächenreinigung in Gesundheitseinrichtungen nützlich. Die Algorithmen lassen sich für viele weitere Roboter und vielfältige Aufgaben rund um die Objekterkennung und Handhabung mit einem Roboterarm nutzen.
Wohin geht die Reise?
Die Vision der Robotik-Community für die Zukunft der Reinigungsroboter im Gesundheitswesen ist ambitioniert. Langfristig gesehen ist es das Ziel, mobile Reinigungsroboter zu entwickeln, die jegliche Oberfläche jederzeit effizient und robust reinigen und desinfizieren können. Hierbei geht es nicht darum, das Personal zu ersetzen, sondern ihm ein weiteres wichtiges Werkzeug bereitzustellen, das die Arbeit erleichtert. Natürlich gehört dazu auch ein passendes Kosten-Nutzen-Verhältnis.
Reinigungsroboter werden besonders dann attraktiv, wenn sie dem Personal intensive körperliche Aufgaben abnehmen, wie etwa die Reinigung großflächiger oder auch höher gelegener Oberflächen. Auch weitere Räumlichkeiten wie Operationssäle oder komplette Patientenzimmer und Nasszellen wären ein großer Mehrwert. Weil die Roboter dazu fähig sind, rund um die Uhr zu arbeiten, könnten sie eine ständige und zuverlässige Desinfektion gewährleisten. Auch eine Reinigung und Desinfektion eines spezifischen Bereichs auf eine spontane Anfrage durch das Personal vor Ort kann die Hygienequalität unterstützen. Damit die Wirtschaftlichkeit gegeben ist, müssen die Reinigungsroboter aber auch mit einer gewissen Geschwindigkeit agieren können.
Florian Jordan, Miriam Schmelzer | guenter.herkommer@holzmann-medien.de
Miriam Schmelzer, M.Sc.
ist wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme am Fraunhofer IPA.
Florian Jordan, M.Sc.
ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme am Fraunhofer IPA.