When the Machine Learns to Understand Human Beings

Wer kennt Billy nicht? Über 20 Millionen Exemplare des Regals wurden in Deutschland verkauft. Fast genauso oft haben Menschen die zugehörige Aufbauanleitung genutzt – denn wer bei dem bekannten schwedischen Möbelhaus einkauft, muss selbst Hand anlegen. Das führt jedoch hin und wieder zu Ratlosigkeit, weil die Zeichnungen auf dem Papier nicht immer selbsterklärend sind. Ähnliche Probleme haben viele kleine und mittelständische Unternehmen (KMUs), die oftmals aus wirtschaftlichen Gründen auf eine manuelle Produktion angewiesen sind. Hier hilft eine intelligente Lösung, die schnell und pragmatisch umgesetzt werden kann und bezahlbar ist: ein digitaler Montageassistent, der dem Menschen an der richtigen Stelle erklärt, was er zu tun hat und vom Start-up Kimoknow angeboten wird. Mittels Künstlicher Intelligenz (KI) erkennt dieser Assistent das zu verarbeitende Objekt im Sichtfeld des Menschen und gibt beispielsweise den Hinweis, wenn etwas falsch montiert ist oder welche Schritte als nächstes notwendig sind. Die Anwendung, die von drei Studenten im Center for Artificial Intelligence Talents (CAIT) am Institut für Informationsmanagement im Ingenieurwesen (IMI) am KIT entwickelt wurde, findet insbesondere in der Industrie vielfältige Einsatzmöglichkeiten.

„Unser System ist darauf ausgelegt, Fachkräfte bei der Montage zu unterstützen, sowie Arbeitsschritte wie Dokumentation und Qualitätssicherung zu vereinfachen und zu automatisieren. Der Mensch kann sich somit besser auf den eigentlichen Montageprozess konzentrieren. Bisher war es nicht wirtschaftlich, einem Programm beizubringen, einzelne Teile in der Fertigung zu erkennen. Um ein System anzutrainieren braucht man mehrere 100 Bilder eines Montageteils, was sehr aufwändig ist und sich nur für sehr wenige Anwendungsfälle lohnt“, sagt Lukas Kriete, Maschinenbau-Student und einer der Gründer. Mit dem Einsatz der 3D-Modelle von Bauteilen und Künstlicher Intelligenz gelingt es jedoch, das Training von Objekterkennung zu automatisieren. Mit seinen zwei Kommilitonen Aaron Boll und Roman Wiegand hat Lukas Kriete Kimoknow gegründet. Der Name setzt sich aus den Begriffen KI (Künstliche Intelligenz), Montage und Know (Wissen) zusammen. Die drei Initiatoren haben alle ihren Bachelor im Fach Maschinenbau gemacht und einen Großteil ihrer Studienleistungen am IMI absolviert.

Ein Demonstrator des Systems ist an speziellen Montagetischen der Firma ELABO GmbH am IMI zu finden. An solchen Tischen sitzen normalerweise Monteure, die manuell Einzelstücke fertigen, wie etwa komplexe Elektromotoren oder Platinen. Die ELABO GmbH hat dem CAIT seine speziellen Arbeitsplätze für die Experimente der Studierenden zur Verfügung gestellt. „Der Monteur, der am Tisch arbeitet, trägt eine AR-Brille, die aus einer Kamera und einem Display besteht. Der Assistent versteht in diesem Moment, was der Monteur sieht. Wenn er beispielsweise zur Lampe schaut, erkennt das Programm, dass es sich um eine Lampe handelt, die sich dann mittels Geste oder einfacher Sprachsteuerung bedienen lässt. Es entsteht ein direkter Kontakt zwischen dem Menschen und dem Gerät. Dieses weiß durch den Input der Kamera, mit was der Mensch agiert, beobachtet, was er sieht. Somit ermöglicht unsere Software die kontextabhängige Integration von digitalen Assistenten in die tägliche Praxis, was davor schwer möglich war“, erklärt Aaron Boll.

Bisher war die Sprachsteuerung eines der wenigen Mittel, um mit einer Maschine zu kommunizieren, was jedoch begrenzte Möglichkeiten aufweist und oft zur Einbahnstraße wird. Die Gründer von Kimoknow haben jetzt die Möglichkeit geschaffen, dass in beide Richtungen Informationen fließen. Als Resultat können Maschine und Mensch in Echtzeit miteinander kommunizieren. Ein ganz besonders großer Vorteil des Systems ist, dass für die Kimoknow-Algorithmen Daten verwendet werden, die bereits existieren. „Es gibt von fast jedem produzierten Gegenstand ein 3D-CAD-Modell, in dem alle Informationen über das Objekt bereits enthalten sind. Wir nutzen diese Daten und trainieren damit die KI an, die genau wie der Mensch lernt. Dieser lernt in einer bestimmten Umgebung und kann es dann wieder in einem anderen Umfeld anwenden“, informiert Aaron Boll.

Schirmherrin von Kimoknow ist Professorin Jivka Ovtcharova, die Gründerin des CAIT und Institutsleiterin am IMI. Hier werden Studierende verschiedener Fachrichtungen, unter anderem Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen, Informatik und Elektrotechnik, in digitalen Technologien befähigt. „Neue Werte- und Geschäftsmodelle für und durch die KI werden zur Voraussetzung für die Wettbewerbsfähigkeit jedes Einzelnen, ob Person, Unternehmen oder Standort. Die KI wirkt sich auch auf unser menschliches Miteinander aus, im Tagesgeschäft sowie im Alltag. Das CAIT hat die Vision, KI-Lösungen schnell, pragmatisch und handlungsorientiert in alltägliche und berufliche Kompetenzen und Fähigkeiten umzusetzen“, so die Professorin, die an der KIT-Fakultät für Maschinenbau tätig ist.

Lange hat Ovtcharova in der Automobilindustrie gearbeitet, bevor sie mit der Annahme ihrer Professur neuartige Schwerpunkte am KIT setzte. Studierende sollen am IMI nicht nur beim Aneignen von Wissen, sondern bei der Entwicklung von praktischen Skills unterrichtet werden. „Wir entwickeln hier Software und Prototypen, alles was sichtbar und begreifbar ist. Deswegen ist das IMI ein Magnet für die Industrie. Die Unternehmen interessiert die Theorie nur bedingt, sie sind an Forschungslösungen interessiert, die man schnell adaptieren kann“, so Ovtcharova.

Demonstrationen der praktischen Arbeit am IMI bekommen die Interessenten aus der Industrie in den CAIT-Laboren gezeigt. Unternehmensvertreterinnen und -vertreter entwickeln zusammen mit dem IMI im Test- und Qualifikationslabor „Industrie 4.0 Collaboration Lab“ realitätsnahe Szenarien und handfeste Lösungen für verschiedenste Anforderungen. Den Erfolg dieses Konzepts beweisen mehrere Ausgründungen, die aus dem IMI hervorgingen. Das erfolgreiche KIT-Spin-off Inreal Technologies, das sich auf Virtual-Reality-Anwendungen spezialisiert hat, ist nur eine davon.

Für die Gründer von Kimoknow war der Entschluss zu einer Ausgründung nicht schwer. Durch das IMI und Professorin Ovtcharova entstanden schnell Kontakte zur Industrie und Einblicke, wo die Ideen eingesetzt werden können. „Wir motivieren und unterstützen bei der Gründung eines Start-ups. Wenn man eine gute Idee hat, muss man sofort loslegen. Lernen und Anwenden läuft hier parallel. Mittels der Digitalisierung kann man sich vieles selbstständig beibringen, es bestehen hervorragende Möglichkeiten, Wissen einzuholen. So kann man den Bildungsprozess beschleunigen. Hierzulande wird noch zu viel Zeit in die „Embryophase“ gesteckt. Die Befähigung der Studierenden für die berufliche Praxis dauert leider noch zu lange. Mit unseren Projekten und Start-ups am IMI sind wir entschlossen, das zu ändern“, erklärt Jivka Ovtcharova ihr Konzept.

Kontakt: jivka ovtcharova ∂does-not-exist.kit edu und michael.grethler@kit.edu

English Excerpt

KIT's Startup Kimoknow Supports Industry with Digital Assembly Systems

Translation: Maike Schröder

Those who shop at a well-known Swedish furniture store have to assemble their pieces of furniture on their own. Occasionally, they end up lost, because paper drawings are not always self-explanatory. Small and medium-sized enterprises that often rely on manual production for economic reasons have similar problems. But now, help is offered by KIT’s startup Kimoknow, which is smart, quick, pragmatic, and affordable. A digital assembly assistant tells human beings what to do whenever they do not know how to proceed. Using artificial intelligence (AI), the assistant recognizes the object in the human’s field of view and points out which components have been assembled incorrectly or which steps are to be taken next. The system developed by three students at the Center for Artificial Intelligence Talents (CAIT) of KIT’s Institute for Information Management in Engineering (IMI) can be used for various applications, mainly in industry.

“Our system is designed to support experts in assembly and to facilitate and automate working steps, such as documentation and quality assurance. Humans can then concentrate on the assembly process proper,” Lukas Kriete says. With his fellow students Aaron Boll and Roman Wiegand, he established Kimoknow. The three founders have a Bachelor’s degree in mechanical engineering and spent most of their studies at IMI.

The patroness of Kimoknow is Professor Jivka Ovtcharova. She established CAIT and heads IMI. Here, students of various disciplines, including mechanical engineering, business engineering, informatics, and electrical engineering, are trained in digital technologies. “New value and business models for and based on AI will be the prerequisite for competitiveness of every individual, company, or location. AI also affects relations among humans in both daily business and everyday life. CAIT’s vision is to quickly, pragmatically, and specifically transfer AI solutions to skills and competencies in daily life and work,” says Ovtcharova who teaches at the KIT Department of Mechanical Engineering. 

Contact: jivka ovtcharova ∂does-not-exist.kit edu and michael.grethler@kit.edu