Grundlagen der Robotik

Egal ob Rasenmähen, Staubsaugen oder Fensterputzen: Roboter können einige der meist lästigen, alltäglichen Haushaltsaufgaben übernehmen. Die damit verbundene Zeit- und Arbeitsersparnis überzeugt die Menschen: Laut einer Studie des Bundesverbands Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e.V. (Bitkom) können sich 42 Prozent der mehr als 1.000 befragten Bundesbürger vorstellen, einen Roboter im Haushalt einzusetzen. Mehr als 80 Prozent wünschen sich Unterstützung beim Staubsaugen oder Wischen, für die Gartenarbeit sind Roboter bei 41 Prozent gefragt. Bei 15 Prozent der Befragten sind Roboter in den eigenen vier Wänden bereits im Einsatz.

Obwohl Datenschutz und Datensicherheit nicht unbedenklich sind, können sich 49 Prozent der Teilnehmer der oben genannten repräsentativen Bitkom-Befragung vorstellen, die Überwachung des eigenen Zuhauses einem Roboter anzuvertrauen. Ein solcher Überwachungsroboter kontrolliert den Haushalt, während der Mensch im Urlaub entspannt, auf Geschäftsreise oder im Büro ist. Per App lassen sich diese Roboter über eine Internet-Verbindung steuern. Nimmt der Roboter per Bewegungserkennung entsprechende Impulse wahr, sendet er ein Alarmsignal auf ein Smartphone. Die integrierte Kamera macht HD-Aufnahmen und verfügt über eine Gegensprechfunktion.

Auf der Consumer Electronics Show 2018 in Las Vegas präsentierte der koreanische Elektronikkonzern LG seine neue Roboter-Produktserie „CLOi“. Das Modell „Serving Robot“ versorgt Kunden mit Speisen und Getränken. Er ist rund um die Uhr einsetzbar (z.B. auf Flughäfen, Bahnhöfen oder Hotels) und serviert Mahlzeiten auf einem Tablett, das der Kunde mitnehmen kann. Nach erfolgtem Service findet der Roboter selbständig den Weg zurück, um neue Snacks zu holen und den nächsten Auftrag auszuführen.

In der Landwirtschaft liegt ein weiterer Bereich, der viel Potenzial für den Einsatz von Robotern bietet. So laufen aktuell Pilotprojekte, bei denen an einem Erntefahrzeug installierte Roboterarme und Multispektralkameras die Prozesse bei der Gurkenernte optimieren. Bei der Aussaat helfen kleine Pflanzroboter, die mit einem Tablet gesteuert werden und den Samen nicht nur sähen, sondern auch alle wichtigen Informationen dokumentieren. Drohnen sind geeignet, um den Reifegrad von pflanzlicher Erzeugnisse oder das Unkrautwachstum zu überwachen und bei Bedarf auch gleich das Besprühen kritischer Bereiche zu übernehmen.

Als Therapiebegleiter sind Roboter besonders dort im Einsatz, wo Patienten nach Schlaganfällen oder neurologischen Erkrankungen lernen müssen, ihren Bewegungsapparat wieder zu aktivieren. So lernen Menschen, die an Lähmungen leiden, mit Hilfe von Gangtrainingsmaschinen das Gehen bis hin zum Treppensteigen. Ein Roboter kann dabei die Arbeit von zwei Therapeuten verrichten. Der Patient erhält zudem direktes Feedback während der Übungen. Ein tragbarer Gangroboter (Exoskelett) ermöglicht es gelähmten Patienten, ohne fremde Hilfe zu gehen. Dabei werden die Schrittbewegungen des Roboters durch Gewichtsverlagerung des Patienten ausgelöst.

Im Operationssaal haben Roboter inzwischen ebenfalls einen festen Platz, wobei sie den Chirurg nicht ersetzen, sondern als präzise Helfer bei minimalinvasiven Eingriffen eingesetzt werden. Statt OP-Instrumente wie Schere oder Pinzette selbst zu bedienen, steuert der Chirurg dabei einen Roboter über eine Konsole mit Hilfe eines Joysticks und Fußpedalen. Eingriffe über einen OP-Roboter sparen Zeit und sind zudem schonender für den Patienten. Risiken durch menschliches handwerkliches Versagen werden minimiert.

Roboterhund Aibo von Sony ist ein Unterhaltungsroboter, der nach seinem zwischenzeitlichen Verkaufsende 2006 im Jahr 2017 in einer neuen Version auf den Markt kam. Aibo nimmt seine Umgebung über zwei Kameras und Mikrofone wahr. Die gesammelten Daten werden mittels Lernprogramm ausgewertet. Auf diese Weise soll der Roboterhund eine individuelle Persönlichkeit entwickeln. Neben Aibo kann man auch Roberta zur Gattung Spielzeugroboter zählen. Diese Initiative des Fraunhofer-Instituts für Intelligente Analyse- undInformationssysteme nutzt seit 2002 spezielle Roboter, um bei Kindern den spielerischen Umgang mit Technologien zu fördern und die Faszination ihrer Entwicklung und Programmierung zu vermitteln.

Für eine Maschine ist das Erkennen und die Interpretation von natürlicher Sprache in Echtzeit auch in Zeiten smarter Lautsprecher ein hochkomplexer Prozess. Das liegt an variablen Faktoren wie der Umgebungsakustik, Hintergrundgeräuschen, Lautstärke, Dialekten, Akzenten oder der generellen Stimmlage. Inzwischen liegt die Genauigkeit bei der Erkennung natürlicher Sprache bei ca. 95 Prozent.

Für eine genaue Erkennung und Interpretation menschlicher Gesten ohne Latenz ist eine 3D- Datenerfassung in Echtzeit notwendig. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik wird an Systemen für die schnelle Aufnahme und Verarbeitung von 3D-Daten geforscht. Mit zwei High-Speed-Kameras und einer Farbkamera werden dabei Bilder aufgenommen und mit einer speziellen Software zu 36 3D-Datensätzen pro Sekunde umgerechnet. Zudem haben die Forscher für das System eine lernfähige Software auf Basis neuronaler Netze entwickelt.

Anhand des Gesichtsausdrucks kann man Rückschlüsse über den Verlauf eines Gesprächs zwischen zwei Menschen gewinnen. Das soll auch bei einem Dialog zwischen Mensch und Roboter realisiert werden. Die Gesichter der Roboter des Herstellers Hanson Robotics sind dank elastischen Polymers und integrierter Servos in der Lage, eine Vielzahl von Gesichtsausdrücken darzustellen. Das Ziel ist, dass der Roboter seine Interaktion an die Mimik des Menschen anpasst. Bei einem ängstlichen Gesichtsausdruck sollte er beispielsweise Abstand zur entsprechenden Person halten, bei fragender Mimik Informationen geben.

In aktuellen Forschungsprojekten sollen Roboter lernen, menschliche Emotionen zu erkennen, zu verstehen und entsprechend zu reagieren. Durch entsprechende Mimik und Gestik kann der Roboter als Reaktion dem Menschen gegenüber seinerseits Emotionen zeigen bzw. simulieren. Ein Beispiel ist das Trainingssystem Emotisk, das Wissenschaftler der Humboldt-Universität Berlin derzeit in Kooperation mit der Uniklinik Aachen und der Uniklinik Köln entwickeln: Die Software wertet Informationen wie Blickrichtung oder Mimik aus und gibt dem Menschen entsprechendes emotionales Feedback. Mit dem System sollen Autisten in die Lage versetzt werden, Emotionen anderer zu erkennen und als Reaktion nonverbale Signale zu senden.

Aufgrund der optischen Ähnlichkeit zum Menschen sowie des menschenähnlichen Verhaltens und Handels neigen wir dazu, humanoiden Robotern eine Persönlichkeit zuzusprechen. Tatsächlich kann die Simulation einer Persönlichkeit die Mensch-Maschine-Interaktion beeinflussen. Für einen Versuch haben japanische Wissenschaftler der Toyohashi University of Technology einen Roboter entwickelt, der dem Blick seines menschlichen Gesprächspartners folgt und registriert, sobald dieser sich von anderen Ereignissen ablenken lässt. In diesen Situationen beugt sich der Roboter nach vorn, hebt seine Stimme und nickt. Das Ergebnis: Der Roboter gewinnt durch die demonstrierten Persönlichkeitsmerkmale die Aufmerksamkeit des menschlichen Gegenübers zurück.

Die Grenze zwischen einem „lediglich“ smarten und einem sozialen Roboter ist derzeit noch schwer bis gar nicht zu ziehen. Aktuelles Beispiel ist Jibo, der erste soziale Roboter des gleichnamigen US-Unternehmens, der seit Ende 2017 erhältlich ist. Der ca. 30-Zentimeter-große Haushaltsroboter liebt es laut Herstellerangaben, unter Menschen zu sein und eine Beziehung zu ihnen aufzubauen. Er lernt, welche Menschen seinem Eigentümer am Herzen liegen und fügt sich nahtlos in dessen soziales Leben ein. Jibo ist zudem charmant und sorgt mit spontanen Aktionen wie einem Tänzchen für Überraschungsmomente. Soweit die Herstellerangaben. Der Praxistest hat gezeigt, dass sich der soziale Roboter nicht signifikant von anderen smarten Systemen unterscheidet. Der Preis ist allerdings deutlich höher.

Beim Einsatz von Robotern in der industriellen Produktion sorgen  Arbeitssicherheitsmaßnahmen dafür, dass der Schutz der Menschen gewährleistet ist. Dazu gehören ausreichende Sicherheitsabstände zwischen Maschine und Mensch, Sicherheitszäune, Lichtschranken oder von Scannern überwachte Zonen. Außerdem gehören Notschalter am Roboter oder dessen Eigenschaft, Kollisionen mit Objekten und Menschen zu erkennen und entsprechend zu reagieren, zu den Sicherheitsmaßnahmen. Dies gilt vor allem für Cobots.

Bei neueren Industrierobotern gibt es in bestimmten Arbeitsbereichen keine trennenden Schutzeinrichtungen. Stattdessen kommen andere technische Schutzmaßnahmen zum Einsatz.  Befindet sich beispielsweise eine Person im Abstand von mehreren Metern, agiert der der Roboter im normalen Modus. Nähert sich die Person, verringert der er ab einem definierten Schwellenwert die Geschwindigkeit. Tritt die Person in unmittelbare Nähe von einem Meter Abstand, stoppt er.

Dabei kommt bei neueren Systemen die ToF (Time of Flight)-Technologie zum Einsatz. Das sind 3D-Kamerasysteme, die anhand des Laufzeitverfahrens (englisch: time of flight) Distanzen messen. Dazu wird die Umgebung mit einem Lichtpuls ausgeleuchtet. Die Kamera misst für jeden Bildpunkt die Zeit, die das Licht bis zum Objekt und wieder zurück braucht und liefert somit für jeden Bildpunkt die Entfernung des darauf abgebildeten Objektes. Auch Radarsensoren kommen in diesem Bereich zum Einsatz. Dabei werden Bewegungen auf Basis elektromagnetischer Wellen im Radiofrequenzbereich erkannt. Durch die Kombination mehrerer redundanter Technologien kann die Sicherheit für Menschen zusätzlich erhöht werden.

In einer Arbeitswelt, in der immer mehr komplexe Systeme miteinander verbunden sind und untereinander kommunizieren, ist es wichtig, diese Systeme vor Informationsdiebstahl oder Manipulation zu schützen. Neben der Manipulation von Konfigurationsdateien (Verändern der Bewegungsbereiche oder der Positionsdaten) und der Code-Manipulation (Umprogrammierung von Abläufen) stellt die Manipulation des Roboter-Feedbacks (Deaktivierung von Alarmen) dabei die größten Bedrohungen dar. Diese Eingriffe können zur Zerstörung von Produkten, zur Beschädigung von Robotern und im schlimmsten Fall zu Verletzungen der in diesem Bereich tätigen Personen führen. Um die Sicherheit von Daten, Schnittstellen und Kommunikationskanälen zu gewährleisten, entscheiden sich Unternehmen immer öfter für externe Software-Lösungen. Diese Lösungen schützen gegen die Manipulation von Konfigurationsdateien, indem sie diese verschlüsseln und im Secure Element (SE) speichern. Durch eine Authentifizierung wird zudem der unerlaubte Zugriff auf die zentale Steuereinheit verhindert. Um einer Code-Manipulation vorzubeugen, bieten Software-Lösungen eine Autorisierung von gesendeten Befehlen mittels Hashverfahren sowie Prüfungen des Codes.

Bereits im 1. Jahrhundert nach Christus gab es Erfindungen, Maschinen und Werke, die als Vorläufer der heutigen Roboter bzw. der Robotik gelten. Sie stammen von Heron von Alexandria, einem griechischen Mathematiker und Ingenieur. Das erklärt auch seinen „Spitznamen“ Mechanicus. In seinem Werk „Automata“ („Buch der Maschinen“) beschreibt Heron diverse Automaten. Einige konnten automatisiert Tempeltüren öffnen oder Musik abspielen. Wenn man so will, ein erster antiker Blick auf Smart Home. Neben seinen Entwürfen von katapultähnlichen Waffen wurde Mechanicus vor allem durch den sogenannten Heronsball bekannt. Dabei handelt es sich um die erste Wärmekraftmaschine, ein Vorläufer der Dampfmaschine. Insgesamt hat der Urvater der Robotik mehr als 100 Entwürfe von Automaten und Maschinen konzipiert.

Im Jahr 1495 entwarf Multigenie und Universalgelehrter Leonardo da Vinci vermutlich die erste menschenähnliche Maschine. Die „Mechanical Knight“ („Mechanischer Ritter“) getaufte Konstruktion konnte sitzen und stehen. Weitere Funktionen: das Anheben des Visiers und die vollständige Beweglichkeit der Arme. Für die Bewegungen sorgten ein komplexes System aus Seilen und Rollen. Ob da Vinci seinerzeit den Roboter nur konzipiert oder auch tatsächlich realisiert hat, ist historisch nicht belegbar. Die auf Grundlage der Pläne nachgebauten Exemplare der Robo-Ritter waren jedenfalls voll funktionsfähig.

Im Science-Fiction-Stück „R.U.R.“ des tschechischen Schriftstellers Karel Čapek aus dem Jahr 1920 wurde erstmals das Wort "Robot" in der englischen Sprache verwendet. Die Uraufführung erfolgte am 25. Januar 1921. In dem international erfolgreichen Stück sehen autonom denkende Maschinen den Menschen zum Verwechseln ähnlich. Nachdem sie ein Bewusstsein entwickelt hatten, rebellieren die Roboter gegen die Rolle als Arbeitssklaven und löschen die Menschheit aus. Ein Hauch von Terminator auf der Theaterbühne.

Auf der New Yorker Weltausstellung hatte 1939 „Elektro“ seinen großen Auftritt. Der über zwei Meter große und mehr als 120 Kilogramm schwere humanoide Roboter konnte dank eines integrierten Plattenspielers rund 700 Worte sprechen. Neben beweglichen Armen und Beinen bestach der mechanische Mann mit den Eigenschaften, verschiedenfarbige Lichter zu unterscheiden und Zigarre zu rauchen. Im Folgejahr der Weltausstellung trat Elektro zusammen mit Roboter-Hund „Sparko“ auf.

George Devol erhielt 1961 das Patent auf den ersten Industrieroboter. Im selben Jahr kam der Unimate auf einer Montagelinie von General Motors zum Einsatz. Er bestand aus einer computerähnlichen Box, die mit einer weiteren Box und einem Arm verbunden war. Der Roboter entnahm schwere Druckgussteile von einer Montagelinie und schweißte sie anschließend auf Autokarosserien. Dieser Abschnitt in der Produktion war zu der damaligen Zeit für menschliche Arbeiter mit hohen gesundheitlichen Risiken verbunden. Neben der Gefahr durch chemische Substanzen gab es nicht selten Unfälle, bei denen Arbeiter Gliedmaßen verloren. In Deutschland beginnt das Zeitalter der Industrie-Roboter in den 70er Jahren.

Das Münchner Start-Up Franka Emika wird im November 2017 vom Bundespräsidenten mit dem Deutschen Zukunftspreis 2017 für die Entwicklung kostengünstiger, flexibel einsetzbarer und intuitiv bedienbarer Roboter ausgezeichnet. Die in Leichtbauweise konstruierten Roboter sind sowohl im Industriebereich als auch im Pflegebereich einsetzbar. Möglich wird dies durch menschliche Berührungen wahrnehmende Drehmomentsensoren, die in den Gelenken verbaut sind. Eine weitere Besonderheit dieses Roboters ist ein Preispunkt, der weit unter dem Marktdurchschnitt liegt und leistungsstarke, hochmoderne Roboter somit auch für kleine und mittelständische Unternehmen attraktiv und erschwinglich macht.

Ein Großteil der modernen Roboter verwendet aktuell Elektromotoren. Während humanoide Roboter und kleinere Exemplare überwiegend mit Gleichstrommotoren (auch als DC-Mototen bezeichnet) betrieben werden, sind in größeren Industrierobotern oder CNC-Maschinen vor allem Drehstrommotoren verbaut. Diese Motoren werden in maschinellen Systemen bevorzugt, in denen der Roboter häufig dieselbe Bewegung ausführt, zum Beispiel ein rotierender Arm.

Der moderne Hydraulikantrieb bei einem Roboter funktioniert wie ein künstlicher Muskel. Seit 2014 tüfteln japanische Entwickler an einem künstlichen Muskel, der aus einem Gummischlauch, zugfesten Fasern und einer schützenden Manschette besteht. Dieses, dem menschlichen Muskel nachempfundene System setzt nicht mehr auf Luftdruck, sondern wird hydraulisch bewegt. Die Vorteile dieses Konzepts: Der Hydraulik-Muskel ist leistungsfähiger und kann gleichzeitig filigrane Bewegungen umsetzen. Im Vergleich zum Elektromotor ist das System zudem robuster. So können mit Hydraulikantrieb versehene Roboter den widrigen Bedingungen in Katastrophengebieten standhalten.

Bei dieser Art der Steuerung hat der Mensch die komplette Kontrolle. Er steuert den Roboter entweder haptisch direkt, via Fernsteuerung oder durch einen für das Steuergerät programmierten Algorithmus.

Der Mensch gibt grundsätzliche Positionen oder Bewegungsabläufe vor. Der Roboter ermittelt dann selbst, wie er die Motoren im Rahmen der Vorgaben optimal einsetzt.

Bei diesen Systemen gibt der Mensch eine allgemeine Aufgabe vor. Der Roboter ermittelt autonom die optimalen Positionen und Bewegungsabläufe, um die Aufgabe zu erfüllen.

Der Roboter erkennt seine Aufgaben autonom und führt diese vollkommen selbständig aus.

Diese weit verbreitete Form des Greifers wird vor allem bei Industrierobotern eingesetzt und in den meisten Fällen pneumatisch oder hydraulisch angetrieben. Kleinere Roboter mit entsprechend kompakten Greifern haben einen pneumatischen Antrieb, der präzise Bewegungen zu überschaubaren Kosten ermöglicht. Bei schweren Nutzlasten kommt die hydraulische Antriebsmethode zum Einsatz.

Bei Magnetgreifern wird grundsätzlich zwischen Permanent- und Elektromagnetgreifer unterschieden. Bei den einfach konstruierten Permanentmagnetgreifern wird die Greifkraft durch einen Dauermagneten bereitgestellt. Gegriffenes Material wird dabei mit Hilfe eines Kolbens, der im Inneren des Permanentmagnetgreifers eingebaut ist, abgestreift. Der elektromagnetische Greifer wird mit elektrischem Gleichstrom versorgt, der für das erforderliche Magnetfeld sorgt. Die Aufnahme und Abgabe des Materials erfolgt über das Zu- und Abschalten der elektrischen Energie.

Zum Aufnehmen von kleineren Objekten wie Dosen oder Kartons werden auch adhäsive Greifer (auch als Klebegreifer bekannt) eingesetzt. Unter Adhäsion versteht man die Haftkräfte an den Kontaktflächen zweier unterschiedlicher oder gleicher Stoffe durch Molekularkräfte. Die Stoffe können sich dabei in festem oder in flüssigem Zustand befinden. Die Gegenstände werden vom Greifer des Roboters mittels Haftkraft von Flüssigkeiten oder durch den Einsatz von Spezialklebstoffen bewegt.

Vakuumgreifer können große Lasten aufnehmen. Dabei wird mittels Überdruck der Umgebungsluft das Objekt gegen die Dichtlippen des Saugnapfs am Greifer gedrückt. Durch den Unterdruck im Saugnapf werden dann schwere Objekte wie z.B. Werkstücke oder Autoscheiben gehalten. Diese Objekte müssen eine glatte Oberfläche aufweisen, damit eine Absaugung per Saugnapf möglich ist.

Im Vergleich mit herkömmlichen Greifern sind mit humanoiden Händen filigranere Aktionen möglich. Ein Beispiel ist das Kanguera-Projekt der Universität São Paulo. Diese Roboter-Hand hat die Form und Größe einer menschlichen Hand. Die Signale werden über Kabel und einen Trafo übermittelt, was im Vergleich zu früheren Roboter-Händen zu einer höheren Präzision führt.

Einer der am häufigsten eingesetzten Sensortypen ist der Kraft-/Momentensensor. Dieser wird im Greifer implementiert und kann sowohl Kräfte als auch Drehmomente erfassen. Dehnungsmessstreifen erkennen dabei Verformungen im Mikrometerbereich. Diese Verformungen werden über eine Kalibriermatrix in jeweils drei Kraft- und Drehmoment-Komponenten umgerechnet. Kraft-/Momentensensoren enthalten einen digitalen Signalprozessor, der die Sensordaten bei Verformungen erfasst und filtert, die Messdaten errechnet und über die Kommunikationsschnittstelle übermittelt.

Induktive Sensoren werden auch als Näherungssensoren bezeichnet. Sie erkennen berührungslos Metallteile, die sich in ihrem Messbereich befinden. Somit sind sie zum Beispiel für das verschleißfreie Erfassen von Endlagen von bewegten Maschinenteilen sehr gut geeignet. Die Oberfläche des Sensors strahlt dabei ein oszillierendes elektromagnetisches Feld ab. Gelangen Metallobjekte in den Messbereich, nehmen sie eine geringe Menge an Energie von dem Oszillator auf. Erreicht die Energieübertragung einen Schwellenwert, wird die Zielobjekterfassung bestätigt und der Sensorausgang ändert seinen Zustand.

Kapazitive Sensoren bestehen aus zwei voneinander isolierten metallischen Teilen und können sowohl metallische und nicht-metallische Materialien erkennen. Die Messung erfolgt dabei berührungslos durch die Veränderung der Kapazität eines elektrischen Kondensators. Da sich die Kapazität eines Kondensators mit dem Abstand seiner Elektroden verändert, wird diese messbare Größe zur Distanzmessung eingesetzt. Mit Hilfe kapazitiver Sensoren werden zum Beispiel Menschen in der Umgebung des Roboters zuverlässig erkannt.

Magnetische Sensoren dienen der berührungslosen und exakten Positionserfassung und erkennen Magnete auch durch Edelstahl-, Kunststoff- oder Holzkonstruktionen. Die Sensoren folgen dem sogenannten GMR-Effekt (GMR ist die englische Abkürzung für "giant magnetoresistance"). Dieser Effekt tritt in Strukturen auf, die aus sich abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten mit einigen Nanometern Schichtdicke bestehen. Der Effekt bewirkt, dass der elektrische Widerstand der Struktur von der gegenseitigen Orientierung der Magnetisierung der magnetischen Schichten abhängt. Dabei ist die Magnetisierung in entgegengesetzter Richtungen deutlich höher als die in gleicher Richtung.

Tastsensoren (auch taktile Sensoren genannt) nehmen das mechanische Berühren von Objekten wahr und leiten daraus Signale ab, die dann weitergesendet werden. Ein Greifarm kann zum Beispiel mit Hilfe von Tastsensoren Form und Position eines Objekts ermitteln. Auch wenn ein Sensor noch nicht mit dem menschlichen Tastsinn mithalten kann, können neuartige taktile Sensoren die mechanischen Eigenschaften und Tastrezeptoren der menschlichen Fingerkuppen nachahmen. Damit soll der Roboter die Intensität des Griffs je nach Beschaffenheit des Greifobjekts autonom dosieren können, gerade in der Mensch-Maschine-Interaktion eine wichtige Eigenschaft.

Optische oder visuelle Sensoren haben in der Robotik die Aufgabe, Informationen aus einem Bild oder einer Bildsequenz zu gewinnen, diese zu analysieren und auf dieser Grundlage zu agieren oder reagieren. Die Daten werden zum Beispiel über eine oder mehrere Kameras (2D oder 3D) oder einen Scanner aufgenommen. Bei der Navigation der Roboter und deren Orientierung in der Umgebung spielen optische Sensoren eine große Rolle.

Die gängigste Fortbewegungsmethode ist die auf vier Rädern. Es gibt auch Roboter mit einem oder zwei Rädern, um die Beweglichkeit zu erhöhen und Komponenten zu sparen. Im Gelände kommen auch Roboter mit sechs oder mehr Rädern zum Einsatz.

Ein Beispiel für diese Art der Fortbewegung ist der Fütterungsroboter in der Landwirtschaft. Dabei hängt der Futterbehälter mit Mischvorrichtung und Wiegeeinrichtung an einer Schiene oder wird seitlich geführt. Die Stromversorgung erfolgt über Akkus, ein Schleppkabel oder eine Versorgungsschiene. Der Roboter wird über einen am Behälter verbauten Prozessrechner gesteuert. An stationären Vorrats- oder Mischbehältern nimmt der Fütterungsroboter neues Futter auf.

Aufrecht wie ein Mensch auf zwei Beinen gehende Roboter stellen Entwickler noch immer vor große Herausforderungen, vor allem hinsichtlich der Stabilität. Der ZMP (Zero Moment Point) oder Nullmomentpunkt-Algorithmus ist eine Lösung von Honda, die beim Roboter ASIMO zur Fortbewegung auf zwei Beinen genutzt wird. Allerdings benötigt dieses Modell eine ebene Fläche zur Fortbewegung. Für Ausflüge ins Gelände ist dieser Roboter somit nicht geeignet. Eine fortschrittlichere Methode ist die Verwendung eines dynamischen Ausgleichsalgorithmus. Sie ist robuster als die ZMP-Technik, da hier die Bewegung des Roboters ständig überwacht wird und die Füße dementsprechend platziert werden, um Stabilität zu gewährleisten. Roboter, die diese Technik verwenden, können sogar Sprünge ausführen. Ein weiterer Ansatz ist die passive Dynamik, bei der das Momentum der schwingenden Gliedmaßen für mehr Effizienz genutzt wird. Mit dieser Technik kann ein Roboter auch einen Hügel hinauflaufen und soll sich mehr als zehnmal effizienter fortbewegen als Roboter mit ZMP-Technik. Aus dem Haus Boston Dynamics stammt das aktuell imposanteste Beispiel in Sachen Beweglichkeit und Balancefahigkeit: Die neueste Verison des Laufroboters Atlas meistert Drehsprünge und sogar einen Rückwärtssalto.

Bei fliegenden Robotern fällt einem als erstes die umbenannte Drohne ein, die inzwischen sowohl im zivilen als auch militärischen Bereich nicht mehr wegzudenken ist. Es gibt aber auch weitere interessante Konzepte, wie das EU-Projekt ARCAS (Aerial Robotics Cooperative Assembly System). Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt haben dabei einen Roboter-Greifarm in einen autonom fliegenden Hubschrauber integriert. Dieser Roboter kommt bei der Inspektion und Reparatur von Pipelines zum Einsatz. Als weitere Einsatzgebiete sind die Wartung von Satelliten oder Industrieanlagen oder der Aufbau von Infrastrukturen auf anderen Planeten denkbar. Forscher der Harvard-Universität haben im Jahr 2013 Roboterbienen entwickelt, die fliegen und unter Wasser tauchen können. Perspektivisch sollen diese winzigen Roboter die Aufgaben der vom Aussterben bedrohten Bienen übernehmen und Pflanzen bestäuben.

Mobile Roboter sind mit einer Kombination aus Navigations-Hardware und -software ausgestattet, um die Umgebung wahrnehmen, optimal navigieren und auf dynamische Ereignisse wie Personen oder bewegliche Objekte reagieren zu können. Meistens sorgt eine Mischung aus GPS-Navigationsgerät, Radarsensoren, aber auch Lidar-Technologie oder Kameras dafür, dass die Roboter sicher in der Umgebung navigieren und agieren.

Keine Sitzplätze, keine Tische, nicht mal Stehtische. Das Anfang 2018 eröffnete Cafe X in San Francisco ist ganz auf Effizienz und superschnellen Service ausgelegt. Zwei Kaffeeautomaten und ein Roboter mit Schwenkarm stehen für den Kaffeegenuss der Zukunft. Kunden wählen am Touchscreen ihr Heißgetränk plus eventuelle Extras, geben ihre Mobilnummer an und bezahlen mit Kreditkarte. Nach einer halben Minute wird ein Code auf das Smartphone gesendet. Diesen gibt man in der Ausgabestation ein, sofort erfolgt die Kaffeeausgabe. Insgesamt dauert der komplette Vorgang nicht länger als eine Minute. Ein Mitarbeiter vor Ort reicht aus, um den Roboter und das Lokal zu überwachen und bei Bedarf Bohnen, Milch etc. nachzufüllen.

In der San Francisco Bay Area ist Zume Pizza beheimatet. Herzstück des Unternehmens ist der Roboter „Doughbot“, der Teig bis zu fünfmal schneller ausbringt als ein Mensch. Roboter übernehmen darüber hinaus das Dosieren der perfekten Saucenmenge, das Auftragen der Sauce und die Entnahme der Pizzen aus den Ofen. Am Morgen werden Menge und Art der benötigten Pizzen für den Tag berechnet. Somit muss nicht jede Pizza neu zubereitet werden, ist aber im Vergleich zu klassischem Fast Food trotzdem immer frisch. Sämtliche Bestellungen erfolgen über Smartphone oder die Webseite des Unternehmens. Eine Filiale gibt es nicht. Alle Pizzen werden ausgeliefert.

Die hohe physische Belastung der Pflegekräfte beim Heben oder Bewegen von Personen ist oft der Grund für gesundheitliche Probleme. Mit dem Projekt Eleveon will das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung in der Pflege tätige Menschen entlasten. Eleveon ist ein teilautonom agierender Lifter für die Aufnahme und den Transport von Personen. Der multifunktionale Personenlifter ist für den Einsatz in der stationären Pflege konzipiert und soll sich autonom zum Einsatzort bewegen können. Eleveon kann verschiedene Transfervorgänge ausführen und Patienten sowohl liegend als auch sitzend transportieren. Das Personal kann den Lifter elektronisch anfordern, was Zeit und Laufwege spart.

Aus Deutschland stammt der weltweit erste Multicopter mit einer Zulassung für bemannte Flüge. Der Senkrechtstarter Volocopter 2X verfügt über 18 Rotoren, fliegt komplett autonom und bietet zwei Personen Platz. Wahlweise können Passagiere selbst den Mulitcopter via Joystick steuern. Er kann als Luft-Taxi oder als Messe-Shuttle eingesetzt werden. Über eigene Hubs verbindet der von Elektromotoren angetriebene Volocopter wichtige Knotenpunkte wie Flughäfen oder Businesszentren mit der Innenstadt.

Der Logistikdienstleister Hermes testet derzeit in deutschen Großstädten die Auslieferung von Paketen durch den Roboter „Starship“. Geplant ist der Einsatz von Logistik-Robotern im Jahr 2018 in fünf bis zehn Städten. Entwickelt, gebaut und gewartet wird Starship vom gleichnamigen Start-up mit Sitz in Estland und London. Der Roboter soll Pakete von Hermes-Filialen aus in einem Umkreis von bis zu vier Kilometern an Kunden ausliefern. Gesteuert werden die Maschinen über Satellitenortung. Nachdem die Systeme die Straßenkarten gelernt haben, sollen sie komplett autonom navigieren.

2016 feierte der Future Bus von Mercedes Premiere in Amsterdam. Im Testbetrieb bewältigte der Bus problemlos eine 20 Kilometer lange Strecke vom Flughafen Schiphol in die Stadt Haarlem. Der Bus fährt autonom (anfangs mit Fahrer zur Überwachung) auf einer separaten Busspur (Bus Rapid Transit BRT) und bremst automatisch beim Erkennen von Hindernissen. Das System kommuniziert mit Ampeln und hält zentimetergenau an Haltestellen. Über eine Cloud können die Stadtbusse zudem untereinander Informationen zum Wetter, der Passagieranzahl oder zu den Straßenverhältnissen austauschen. Anfang 2020 soll der Future Bus in Serie gehen.

Im Januar 2017 brachte das niederländische Unternehmen Robot Security Systems den Sicherheitsroboter SAM3 auf den Markt. Der für den Gebäudeschutz konzipierte Roboter kann Menschen oder Objekte während der Fahrt erkennen, Hindernisse passieren sowie Aufzüge und Türen bedienen. Wenn sich eine Person nicht innerhalb eines Zeitlimits durch den integrierten Ausweisleser identifizieren kann oder versucht, den Roboter zu sabotieren, löst SAM einen Alarm aus. Der Roboter scannt die zu patrouillierenden Areale und kann so Feuer oder Störungen in technischen Anlagen frühzeitig erkennen. Die Maschine verfügt über eine Wärmebildkamera sowie vier Kameras für ein 360-Grad-Sichtfeld. Er erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 10 Kilometer pro Stunde.

Für den gewerblichen Bereich brachte das dänische Unternehmen Nilfisk 2017 einen Scheuersaug-Roboter zur autonomen Nassreinigung von Boden. Der Reinigungsroboter Advance Liberty A 50 verfügt über Sensoren, Kameras und Software, mit dem er einen Raum mit nur einer Durchfahrt erfassen kann. Der Roboter erkennt Hindernisse bis hin zur Größe eines Tennisballs und umfährt diese selbständig. So kann er zum Beispiel auch während der Öffnungszeiten in Supermärkten eingesetzt werden.

Laut Hersteller Asus soll der Haushaltsroboter Zenbo die Menschen zuhause als Helfer, Unterhalter und Begleiter unterstützen. Durch die Einbindung ins Smart Home kann Zenbo kontrollieren, wer an der Tür klingelt. Nachdem das Kamerabild von der Eingangstür zum Roboter übertragen wird, kann der Nutzer die Tür via Fernbedienung entsperren. Für den Einsatz in Wohnungen mit älteren Mitbewohnern ist die Notruf-Funktion gedacht. Registriert der Roboter, dass jemand zu Boden stürzt, alarmiert er andere Familienmitglieder. Außerdem kann Zenbo Personen im Haushalt daran erinnern, dass sie ihre Medikamente nehmen müssen oder ein Arzttermin ansteht.

Forscher der Arizona State University haben Nanoroboter entwickelt, die sich im Körper eigenständig auf die Suche nach Krebstumoren machen und diesen dann die Blutzufuhr abschnüren. In Versuchen mit Mäusen wurden mit dieser Technologie bereits erfolgreich Tumore und Metastasen bekämpft. Trifft ein Nanobot im Blutstrom auf ein Tumor-Blutgefäß, löst er bei diesem ein Blutgerinnsel aus. Als Folge verkümmert der Krebstumor und stirbt ab. Die Forscher berichten, dass die Nanobots schnell wirken und Krebszellen bereits wenige Stunden nach der Injektion in großer Zahl belagern. Zudem sind bislang keine Nebenwirkungen bekannt.