Roboterunterstützung für Feuerwehren

1,3 Millionen Feuerwehrleute leisten in Deutschland jährlich rund 3,9 Millionen Einsätze und sind hierbei immer wieder großen Gefahren für Leib und Leben ausgesetzt. Künftig sollen sie daher von Robotern unterstützt werden. Um dieses Ziel voranzutreiben, haben 13 Projektpartner aus Brandschutz, Industrie und Forschung, darunter das Fraunhofer FKIE, Ende 2018 das Projekt »Aufbau des Deutschen Rettungsrobotik-Zentrums« (A-DRZ) gestartet. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert den Start im Rahmen der Förderrichtlinie »Zivile Sicherheit – Innovationslabore/Kompetenzzentren für Robotersysteme in menschenfeindlichen Umgebungen« mit einer Anschubfinanzierung in Höhe von 11,9 Millionen Euro.

Aufbau des Deutschen Rettungsrobotik-Zentrums (A-DRZ)

© Fraunhofer FKIE
Kick-off des Deutschen Rettungsrobotik-Zentrums (DRZ) am 6. Dezember 2018 auf dem ehemaligen Dortmunder Industriegelände Phoenix-West. Ziel des Zentrums ist es, Robotersysteme zu entwickeln, die Feuerwehren in gefährlichen Einsatzsituationen unterstützen.
© Deutsches Rettungsrobotik-Zentrum e.V.
Die Vorteile der Digitalisierung nutzen, um eine bessere Übersicht über die Einsatzlage zu erhalten: Unbemannte Systeme, wie Bodenroboter oder Drohnen, können in unklare Einsatzlagen vorausgeschickt werden, um Informationen zu sammeln. Je klarer die Lage, desto besser möglich sind Einsatzplanung und Minimierung des Risikos für die Einsatzkräfte.

Mit dem Deutschen Rettungsrobotik-Zentrum (DRZ) ensteht ein nationales Kompetenzzentrum für die Entwicklung zukünftiger Robotersysteme zur Entlastung von Rettungs- und Einsatzkräften in gefährlichen Situationen oder menschenfeindlichen Umgebungen. Zu diesem Zweck wird ein umfangreiches Netzwerk geschaffen, das Fähigkeiten branchenübergreifend und interdisziplinär zusammenführt. Durch die unmittelbare Einbeziehung der Anwender, der technischen Vernetzung der Partner und der Einrichtung sogenannter »Living Labs«, in denen die entwickelten Robotersysteme gemeinsam erprobt werden, ist ein hoher Praxisbezug gewährleistet.

DRZ-Zentralstandort ist Dortmund. Das Fraunhofer FKIE, das im DRZ-Trägerverein stellvertretend die Mitgliedschaftsrechte der Fraunhofer-Gesellschaft ausübt, bietet eine weitere Außenstelle am Standort Wachtberg.

Vorrangige Aufgabe des FKIE im DRZ ist die Ausgestaltung und Entwicklung schwerer kettengetriebener robotischer Outdoor-Plattformen, im Speziellen der Demonstratorklasse D3. Ein weiterer Schwerpunkt seines Arbeitspakets ist die federführende Entwicklung eines plattformübergreifenden technischen Modularisierungskonzepts für die DRZ-Robotersysteme und die Betreuung der Partner bei dessen exemplarischer Umsetzung.

Kerngedanke hierbei ist, dass das zu entwickelnde Modularisierungskonzept einen technischen Kondensationspunkt für die partnerübergreifende Zusammenarbeit darstellt und eine Vergleichbarkeit zwischen funktionell trennbaren Robotergruppen schafft. Für die Einsatzkräfte bieten modular aufgebaute Robotersysteme nach Einschätzung des DRZ zudem den Vorteil, dass sie eine flexible Bestückungsmöglichkeit je nach gefordertem Einsatzprofil schaffen. Auch aus wirtschaftlicher Sicht sind modulare Funktionsgruppen in zweifacher Hinsicht sinnvoll: Sie vereinfachen Wartung und Austausch von Ersatzteilen und vermeiden Hardware-Dopplungen in der Anschaffung. Dies ist gerade vor dem Hintergrund des strategischen DRZ-Ziels, mithilfe weiterer Kooperationen und durch den Gewinn neuer Mitglieder die Einstiegshürde zur technischen Teilhabe an den DRZ-Robotersystemen maximal für alle zu senken, ein wichtiges Kriterium.

© Deutsches Rettungsrobotik-Zentrum e.V.
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© Fraunhofer FKIE
Der Aufbau des DRZ erfolgt in vier von den Partnern gemeinsam erarbeiteten und festgelegten Phasen. Im Zentrum des Umsetzungsplans stand die Erarbeitung eines plattformübergreifenden Modularisierungskonzepts.
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DRZ-Mobilitätsplattform D3. Links oben: vor Umbau und Anpassung durch Fraunhofer FKIE als D3; links unten: inklusive D3-Modulträger in Convertible-H-Ausführung; und rechts: mit DRZ-Modulen verschiedener Partner ausgestattetes Gesamtsystem bei einem Integrationssprint am Standort Dortmund.
© Fraunhofer FKIE
Der von der Fachhochschule Dortmund entwickelte DRZ-Demonstrator D4. Links: bei gemeinsamen Integrationstests mit Fraunhofer FKIE; Mitte: funktionell zerlegt in Mobilitätsplattform, Modulträger und Module; und rechts: ausgerüstet u. a. mit Löschmittel- und Applikatormodul.

Erstes Teilziel des gemeinsam erarbeiteten Umsetzungsplans war die Durchführung einer ersten allgemeinen Anforderungsanalyse und – darauf aufbauend – die Erstellung eines Initialkonzepts. Da die Robotersysteme sich technologisch schnell weiterentwickeln und somit auch in Zukunft hoch dynamisch bleiben werden, wurde das Konzept bewusst offen und flexibel ausgestaltet. Ihm liegt der Kerngedanke einer funktionsgetriebenen und technisch-räumlichen Kapselung der Einzelsysteme in drei Hauptbestandteile zugrunde:

  • Mobilitätsplattform
  • Modulträger
  • spezifische, als wechselbare Module ausgeführte Einsatznutzlasten.

Die Mobilitätsplattform beherbergt die Antriebssysteme für die Fortbewegung und stellt gleichzeitig die Energiequelle für das Gesamtsystem. Der auf die jeweilige Plattform spezifisch angepasste Modulträger wiederum dient als Kompatibilitätsschicht und bindet plattformseitig die gesamte zu integrierende Sensorik und Aktorik auf mechatronischer Ebene an. Softwareseitig bindet der Träger darüber hinaus alle relevanten Komponenten an die im Forschungsumfeld gebräuchliche Robotik-Middleware ROS (Robot Operating System) an, die auch im DRZ als Standardbestandteil des Modularisierungskonzepts verwendet wird. Weiterhin bietet der Träger konzeptseitig festgelegte, vereinheitlichte mechanische und elektrische Schnittstellen für die Wechselmodule.

Nach erfolgreicher Abstimmung des Initialkonzepts mit allen Verbundpartnern erfolgte in der zweiten Entwicklungsphase des DRZ eine detaillierte Ausarbeitung des Modularisierungskonzepts in drei Bereichen:

  • mechatronische Struktur- und Schnittstellenspezifikation
  • Softwareschnittstellen
  • logische Kommunikationsarchitektur. 

Weiterhin wurden Module für unterschiedliche Einsatzzwecke konzipiert und ihre Anbindung an die für das DRZ als Trägerplattformen vorgesehenen und als Demonstratoren vorhandenen Roboterklassen D3 und D4 ausgearbeitet. Die Robotersysteme wurden dabei bewusst sehr unterschiedlich gewählt, um eine im Sinne des DRZ möglichst große plattformübergreifende Modul-Kompatibilität über verschiedene Systeme hinweg exemplarisch darzustellen und perspektivisch zu erreichen. Die Verwendung eines von Fraunhofer FKIE entwickelten Multimaster-Systems garantiert die Erreichbarkeit und Synchronisation der Kommunikation unter den Modulen.  

In der dritten Phase wurde das erarbeitete Konzept schrittweise erfolgreich in die Demonstratoren D3 und D4 überführt und die Austauschbarkeit der vereinheitlichten Module und ihre Betriebsfähigkeit im Rahmen von Integrationstests auf beiden Plattformen verifiziert. Die vierte und abschließende Phase besteht nun aus einem fortlaufenden Iterations- und Revisionsprozess, in dem Verbesserungen vorgenommen werden und auf neu aufkommende Anforderungen in der wachsenden DRZ-Infrastruktur reagiert wird.

© Deutsches Rettungsrobotik-Zentrum e.V.
Ein einheitliches Modularisierungskonzept über verschiedene kommerzielle Trägerplattformen hinweg und die Möglichkeit zur flexibel funktionalen Bestückung selbiger je nach Einsatzerfordernis sollen eine möglichst zeitnahe und hürdenfreie Einführung der Systeme bei den Feuerwehren unterstützen.

Mit der Entwicklung und Gestaltung eines plattformübergreifenden Modularisierungskonzepts wurde der Grundstein für die Vereinfachung gemeinsamer Arbeiten an einem kombinierten Robotersystem über Partner- und Plattformgrenzen des DRZ hinweg gelegt. Die Auftrennung in Mobilitätsplattform, Einsatznutzlast und vereinheitlichte Module ermöglicht perspektivisch die einfache und größtmöglich hürdenfreie Teilhabe aller Partner an den Robotersystemen.

Die Wiederverwendung von Teilkomponenten und die Möglichkeit, diese einsatzflexibel zusammenstellen zu können, schaffen beste Voraussetzungen für den zeitnahen und breitflächigen praktischen Einsatz der Roboter bei den Feuerwehren. Angesichts der wachsenden Anzahl neuer DRZ-Mitglieder, neu verfasster technischer Anforderungen, ausspezifizierter Einsatzszenarien und der Planung weiterer DRZ-Module bleiben die zukünftigen Aktivitäten des Zentrums eine spannende Herausforderung. Ziel ist die fortlaufende praxisorientierte Weiterentwicklung der DRZ-Robotersysteme.

© Minimax Viking
© Fachhochschule Dortmund
© Fachhochschule Dortmund

Deutsches Rettungsrobotik-Zentrum (DRZ)

Image-Teaser, Copyright: DRZ e.V.

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