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Robotica
Roboterarm der Shadow Robot Company
Roboterbein durch Luftsäcke beweglich
Bewegliche Roboterschläuche

Robotik ist der Zweig der Mechatronik die sich mit theoretischen Implikationen und praktischen Anwendungen von Roboter im weitesten Sinne des Wortes.

Bemerkenswerte Beispiele der jüngsten Forschung in der Robotik sind:

Robotik in der Literatur

Die erste Literatur über Roboter stammt von dem tschechischen Schriftsteller Karel ČapekR.U.R. (Rossums Universal Robots) (1920), wo das Wort „Roboter“ zum ersten Mal verwendet wurde. Isaac asimov hat welche Science-Fiction-Bücher geschrieben, in dem Roboter die Hauptrollen spielen. Seine theoretischen Überlegungen sind niedergelegt in die drei Gesetze der Robotik. Asimov hat die Gesetze entwickelt, die alle Roboter einhalten sollten, um sicherzustellen, dass ein Mensch niemals durch einen Roboter gefährdet wird.

Forschungsbereiche

Robotik ist ein Wissenschaft die sich hauptsächlich auf die Systemintegration konzentriert. Ein gut konstruierter Roboter wird in der Lage sein, seine Beobachtungen (die mit Hilfe von Sensoren gewonnen wurden) auf gute Weise in Aktionen umzusetzen, die Aktoren wird ausführen. Dies muss so erfolgen, dass der Roboter die vordefinierten Aufgaben ausführen kann. Die verschiedenen Schritte dieser Operationen haben eine Reihe von Forschungsbereichen hervorgebracht, von denen jeder eines der Probleme anspricht, die beim Bau eines Roboters zu überwinden sind.

Sensorik: Eine Domäne, die sich mit dem Design und Betrieb von Sensoren. Fragen, die diese Domain beantworten möchte:

  • Wie können Sensoren so programmiert werden, dass sie maximale Informationen aus der Umgebung gewinnen?
  • Wie können Videobilder in eine erkennbare Umgebung (für den Roboter) analysiert werden? (Diese spezielle Frage verbindet sich mit Computer Vision).
  • Wie kann der Roboter eine Karte seiner aktuellen Umgebung erstellen, um die Navigation zu erleichtern?
  • Wie kann der Roboter sich bewegende Objekte in seiner Umgebung verfolgen?
  • Und ihren zukünftigen Standort vorhersagen?

Robotersteuerung: Eine automatische Steuerung (oder Regler) kann dazu führen, dass der Roboter einen erforderlichen Zustand erreicht, indem er ihn mit dem aktuellen Zustand vergleicht und Befehle an die Aktoren sendet, die den aktuellen Zustand (hoffentlich) näher an den erforderlichen bringen. Ein Roboter könnte aber auch versuchen, die Zukunft vorherzusagen, um Lenkfehler in der Vergangenheit zu begrenzen. Diese Domäne untersucht die Auswahl der besten Aktion (oder einer guten Aktion), um den Roboter näher an den gewünschten Zustand zu bringen, der an die Steuerung kommuniziert wird.

Roboterplanung: Die Roboterplanung befasst sich wie die Robotersteuerung mit dem allgemeinen Verhalten des Roboters, wenn auch auf einer höheren Ebene. Für eine bestimmte Aufgabe sorgt der Scheduler dafür, dass diese in mehrere Teilaufgaben aufgeteilt wird, bis diese Aufgaben klein genug sind, um einem Controller anvertraut zu werden.

Kinematik: Diese Domain beschreibt die Mathematische Modelle Beschreibung der möglichen Bewegungen von Roboterarmen und Greifern. Es wird versucht, ein Modell zu erhalten, mit dem der Roboter entscheiden kann, wie er seine Arme einsetzt, Gelenke und Greifer müssen sich bewegen, um in einen Zustand zu gelangen, der es ihm ermöglicht, seine Aufgabe zu erfüllen. Zum Beispiel: Wie kann der Roboter seinen Arm positionieren, um ein bestimmtes Objekt zu greifen?

Roboterarchitektur: Dies ist vielmehr eine allgemeine Beschreibung des Forschungsgebiets, das Architekturen erfindet und untersucht, um Roboter für bestimmte Aufgaben effizienter und besser zu machen. Wie sich ableiten lässt, funktionieren Roboter durch eine Kombination aus Planen, Wahrnehmen und Handeln (durch Kontrolle), durch ein Modell, das aus der Umgebung gebaut wird. Das Ausmaß dieser Interaktionen und die Bedeutung der einzelnen Komponenten können jedoch variieren, um bestimmte Aufgaben leichter durchführbar zu machen. Ein Roboter in einer dynamischen, sich verändernden (unstrukturierten) Umgebung muss andere Anforderungen erfüllen als ein Roboter in einer strukturierten Umgebung, beispielsweise in einer Autofabrik. Von letzteren kann erwartet werden, dass sie einen Autositz in einer bestimmten Ausrichtung an einer bestimmten Stelle im Raum zu einer bestimmten Zeit fixieren, denn nach dieser Zeit rollt der Reifen weiter und das nächste Auto steht an gleicher Stelle und im gleichen Zustand bereit. Dies führt zu unterschiedlichen Software- und Hardwarearchitekturen für Roboter: reaktive Roboter, Echtzeit-Roboter, kognitive Roboter, evolutionäre Roboter und andere.

Anwendungen

Industrie

In der Industrie werden viele Roboter eingesetzt, um billiger und einfacher zu produzieren. So kommen sie beispielsweise in der Automobilindustrie (der Branche, in der erstmals ein Roboter zum Einsatz kam: Unimate) auf vollautomatisierten Produktionslinien zum Einsatz. Sie werden auch verwendet, um Aufgaben zu erledigen, die für den Menschen zu langweilig wären, wie zum Beispiel das Verpacken der fertigen Produkte (z. B. Getränkekartons).

In der Elektronik können Roboter Leiterplatten viel billiger, schneller und genauer herstellen, die in allen möglichen Anwendungen (Computer, Radios) benötigt werden. Wenn alle Kontaktstellen der Chips, LEDs etc. von Hand gelötet werden müssten, wäre dies fast unerschwinglich und die Fehlerwahrscheinlichkeit wäre viel größer.

In der Nuklearindustrie, Roboter oder Manipulatoren in Gebieten verwendet, in denen zu viel Strahlung vorhanden ist, um gesund zu bleiben.

Raumfahrt

Da es viel einfacher und sicherer ist, Roboter statt Menschen ins All zu schicken, sind sie dort weit verbreitet. Die Sonden, die zu Planeten (zB Demars Rover Spirit) geschickt werden, sind fortschrittliche Roboter, die selbstständig alle Arten von Beobachtungen durchführen und von dort zurück zur Erde schicken können. Bei der großen Distanz zwischen dem Roboter und den Menschen auf der Erde ist es viel einfacher, wenn der Roboter selbst entscheiden kann, was er tut, anstatt auf ein Signal von der Erde zu warten Die Satelliten in der Atmosphäre sind ebenfalls Roboter. Einige von ihnen können im Gegensatz zu den Sonden noch direkt von der Erde aus gesteuert werden, führen aber auch (vorprogrammierte) Beobachtungen automatisch durch.Die Roboter, die in der Raumfahrt eingesetzt werden, gehören zu den fortschrittlichsten Robotern, die es gibt, dank des riesigen Budgets hauptsächlich von mainly NASA (17 Milliarden US-Dollar im Jahr 2008). Allein der Spirit kostet etwa 400 Millionen US-Dollar. Im Vergleich zu anderen Robotern kosten Medizinroboter im Durchschnitt etwa 2 Millionen US-Dollar und der Honda P3 mehrere zehn Millionen.

Medizin

Roboter werden in der Medizin eingesetzt, weil sie Operationen viel genauer und in kleinerem Maßstab durchführen können. Die Roboter können die gleiche Bewegung wie der Chirurg ausführen, aber fünfmal kleiner. Da der Eingriff in kleinerem Maßstab durchgeführt wird, ist die Wunde viel kleiner und die Rehabilitation des Patienten daher viel schneller. Sie werden immer noch vollständig von den Chirurgen gesteuert, also sind es nicht Computer, die die Roboter steuern.

Belgien zum Beispiel hat 20 solcher Roboter in Krankenhäusern. Dies ist nach den Vereinigten Staaten die zweitgrößte Zahl pro Kopf der Welt. Dies wird häufig kritisiert, weil diese Roboter so teuer sind (jeweils 1,6 Millionen). Ein Beispiel hierfür ist die Herzoperation. Bei der traditionellen Chirurgie schneidet der Chirurg zuerst das Brustbein, bricht die Rippen auf und schneidet dann die Muskeln und das Gewebe bis zum Herzen durch. Erst dann kann der eigentliche Betrieb beginnen. Wird diese Operation mit Hilfe eines Roboterchirurgen durchgeführt, reicht es aus, drei kleine Löcher in die Brusthöhle zu bohren, durch die drei ferngesteuerte fingerartige Metallsonden (kleine Schneidinstrumente, ein Licht und eine Kamera) eingeführt werden. Der Chirurg hat dann ein 3D-Bild der Brusthöhle und kann die Schneidinstrumente aus der Ferne steuern. Dadurch ist nicht das ganze Herz geöffnet und die Rehabilitation geht viel schneller. Davon können auch Chirurgen in der Ausbildung profitieren. Mit diesem System kann eine Operation simuliert werden, ohne dass echte Patienten benötigt werden, die gefährdet sein könnten.

Heer

Auch Armeen setzen bei ihren Militäroperationen zunehmend Robotik-Technologien ein, da diese ihre Soldaten ausser Gefahr bringen. Vor allem die USA forschen hierzu intensiv: Bis 2020 wollen sie 30 Prozent ihrer Bodentruppen durch Roboter ersetzen. Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ist eine Abteilung des amerikanischen Militärs, die sich darauf konzentriert zur Erforschung der Entwicklung und des Einsatzes von Robotern im Militär. Diese Wissenschaftler entwickeln Fahr-, Segel- und Flugroboter, organisieren jedes Jahr die DARPA Grand Challenge und untersuchen den möglichen Einsatz von Cyborgs (in diesem Fall Tieren, denen Elektroden implantiert wurden, um sie fernsteuern zu können). Die Idee dahinter ist, dass es einfacher ist, die nach Jahrmillionen der Evolution optimierten Tiere zu nutzen, als ihre Bewegungen durch jahrelange Forschung zu imitieren.

Haushalt

Schweizer Fahrroboter

Langsam gibt es immer mehr spezialisierte Roboter, die im Haushalt nervtötende Aufgaben wie Staubsaugen und Rasenmähen übernehmen. Im Wesentlichen ist die Waschmaschine, ohne es zu merken, ein bereits etablierter Spezialroboter.

Revalidierung

In den oben genannten Anwendungen wird der Roboter verwendet, um menschliche Aktionen in feindlichen Umgebungen (im Weltraum, in der Tiefsee oder auf dem Schlachtfeld) auszuführen. Oder um betäubende oder sehr präzise Handlungen auszuführen (in der Industrie, im Haushalt oder in der Medizin).

In den Rehabilitationsanwendungen hingegen wird der Roboter verwendet, um alltägliche Aktivitäten auszuführen. Der Roboter gleicht die (motorische) Begrenzung des Benutzers aus. Dazu gibt es drei Ansätze:

1. ein Roboter, der nach den drei Robotergesetzen arbeitet, als eine Art Assistent bei der Ausführung bestimmter Aufgaben. Die technische Konstruktionsphilosophie eines solchen Assistenzroboters ist die gleiche wie oben beschrieben. Der Benutzer gibt Befehle, die der Assistent verstehen und ausführen muss. Dies erfordert eine "hohe" semantische Kommunikation zwischen dem Benutzer und dem Assistenten. Darüber hinaus muss der Roboter ein gutes wiederholbares und vorhersehbares Verhalten aufweisen. Das ist in einem unstrukturierten Umfeld schwierig.

2. a Manipulator der nicht wirklich als echter Roboter bezeichnet werden kann, da er zusammen mit dem Benutzer als handelnde Einheit betrachtet werden sollte. Task, Job, Scheduling und Kollisionsvermeidung werden vom Benutzer in Echtzeit ausgeführt. Die Augen des Benutzers und die Interpretation dessen, was er sieht, ersetzen optische Sensoren und Interpretationssoftware. Die Interpretation eines Bildes erfordert das Erkennen der Umgebung und der darin enthaltenen Objekte. Dies erfordert entweder eine „technische Software“ oder ein „menschliches“ virtuelles Weltmodell. Heute (2009) ist der Mensch in dieser Hinsicht weit überlegen. Dieser Ansatz lässt dem Anwender seiner Kreativität freien Lauf, da er Aufgaben in Echtzeit vor Ort konzipieren und ausführen kann. Der Nachteil ist die Langsamkeit der Steuerung, da sie auf der Bewegungsebene und nicht auf der Ebene der "abstrakten Aufgabe" stattfindet (wie beim Roboter: Essen vorbereiten, Rosenkohl, Kartoffeln und Soße). Alle Bewegungen müssen mit schwachen Finger- oder Augenbewegungen oder ähnlichem kontrolliert werden.

3. die Kombination aus Manipulator und Roboter: Ein Manipulator, der sich Aufgaben merken und erneut ausführen kann. Der Vorteil ist die Beschleunigung der Bewegung für bereits erlernte Aufgaben. Nachteilig ist die erweiterte Sprache zwischen Benutzer und Roboter auf unterschiedlichen semantischen Ebenen (komplexe Aufgabe und einfache Bewegung). Auch die höhere mechanische Genauigkeit, die der Roboter haben muss, weil ihm das Feedback vom Benutzer fehlt. Und auch zwischen der virtuellen Weltsicht des Benutzers und des Roboters können Konflikte entstehen.

Robotikforschung in den Niederlanden und Flandern

Siehe auch

Externe Links