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Roboter

Roboter sind stationäre oder mobile Maschinen, die nach einem bestimmten Programm festgelegte Aufgaben erfüllen. Allerdings hat sich die Bedeutung im Laufe der Zeit gewandelt. Der Begriff Roboter (tschechisch: robot) wurde von Josef und Karel Čapek Anfang des 20. Jahrhunderts durch die Science-Fiction-Literatur geprägt. Sein Ursprung liegt im slawischen Wort robota, welches mit Arbeit, Fronarbeit oder Zwangsarbeit übersetzt werden kann. 1921 beschrieb Karel Čapek in seinem Theaterstück R.U.R. in Tanks gezüchtete menschenähnliche künstliche Arbeiter. Mit seinem Werk greift Čapek das klassische Motiv des Golems auf. Heute würde man Čapeks Kunstgeschöpfe als Androiden bezeichnen. Vor der Prägung dieses Begriffes wurden Roboter zum Beispiel in den Werken von Stanisław Lem als Automaten oder Halbautomaten bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

Definition

Während der Entwicklung von Handhabungsgeräten, die immer komplizierter wurden, kamen Entwickler auf die Idee, sie Roboter zu nennen. Spätestens ab diesem Zeitpunkt wurde das Wort Roboter, welches ursprünglich nur für humanoide Roboter verwendet wurde, fast beliebig für verschiedene Geräte benutzt. Entsprechend unterschiedlich ist die Definition eines Roboters von Land zu Land. So kommt es, dass z. B. 1983 von Japan 47000 dort installierte Roboter gemeldet wurden, von denen nach VDI-Richtlinie 2860 nicht einmal 3000 als Roboter gegolten hätten. [1]

Definition nach VDI-Richtlinie 1990

Ein Roboter ist ein frei und wieder programmierbarer, multifunktionaler Manipulator mit mindestens drei unabhängigen Achsen, um Materialien, Teile, Werkzeuge oder spezielle Geräte auf programmierten, variablen Bahnen zu bewegen zur Erfüllung der verschiedensten Aufgaben.

Definition nach VDI-Richtlinie 2860

Industrieroboter sind universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei (d. h. ohne mechanischen Eingriff) programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen.

Definition nach Robot Institute of America (RIA)

Ein Roboter ist ein programmierbares Mehrzweck-Handhabungsgerät für das Bewegen von Material, Werkstücken, Werkzeugen oder Spezialgeräten. Der frei programmierbare Bewegungsablauf macht ihn für verschiedenste Aufgaben einsetzbar.

Definition nach Japan Robot Association (JARA)

Geschichte

Roboter in der Literatur

Erstmals wurde der Begriff Roboter durch die Erzählungen Isaac Asimovs einem größeren Publikum bekannt. 1942 beschrieb er in „Runaround“ zum ersten mal die drei Robotergesetze die auch heute noch häufig in der Science Fiction Literatur rezipiert werden. 1950 veröffentlicht er mit Ich, der Roboter eine Sammlung von Kurzgeschichten zu diesem Thema. Auch später beschäftigt sich Asimov immer wieder mit dem Thema Roboter.

Roboter in Filmen

Da die Idee des Roboters ihren Ursprung im Theater hat, wurde diese auch später in vielen Filmen thematisiert. Im 1927 erschienenen Film Metropolis wurde erstmals ein Roboter in einem Film gezeigt. Sehr bekannt wurde auch der riesenhafte Roboter „Gort“ und die ihn betreffende Dialogzeile „Klaatu Barada Nikto“ aus dem Film Der Tag, an dem die Erde stillstand (1951). Kultstatus erlangte auch der Robotor „Robby“ aus Alarm im Weltall (1956), der in der Folge in einer ganzen Reihe von Filmen und Fernsehsendungen zu sehen war. In der Star-Wars-Saga (1977–2005) spielen R2D2 und C3PO eine eher komödiantische Rolle. In der Serie Star Trek – The Next Generation (1987–1994) ist der Androide Data ein Führungsoffizier. In Nummer 5 lebt entwickelt ein Militärroboter eine naive Persönlichkeit. Heute bringen Filme wie „Terminator“ und „I, Robot“ das Publikum immer noch über den Sinn dieser meist menschenähnlichen Maschinen zum Grübeln.

Immer häufiger finden auch Industrieroboter (nicht humanoide Roboter) den Weg auf die Leinwand. In Filmen wie James Bond (Stirb an einem anderen Tag), Thunderbirds, Tomb Raider – Die Wiege des Lebens und Sakrileg wurden z. B. KUKA-Industrieroboter in Szene gesetzt.

Roboter als Kunstobjekt

SHIFZ ist die abgekürzte Selbstbezeichnung der österreichischen Künstlervereinigung Syntharturalistische Kunstvereinigung. Sie wurde 1996 gegründet und thematisiert hauptsächlich das Verhältnis von Mensch und Maschine.

Robotik

siehe Hauptartikel Robotik

Durch die häufige Thematisierung von Robotern in Film und Literatur, wurde auch die Wissenschaft aufmerksam auf diese Art der Maschinen. Das wissenschaftliche Gebiet, das sich mit der Konstruktion von Robotern beschäftigt, heißt Robotik. Der Begriff wurde 1942 von Isaac Asimov in seinem Buch „Runaround“ erstmals erwähnt. Ein allgemeines theoretisches wissenschaftliches Gebiet, welches sich mit Robotern beschäftigt, gibt es nicht. Sie sind meist Teilgebiete der Elektrotechnik, Informatik, Mechatronik oder des Maschinenbaus.

Technische Grundlagen

Technisch realisiert werden Roboter hauptsächlich im Zusammenspiel der Disziplinen: Mechanik, Elektrotechnik und Informatik. Inzwischen hat sich aus der Verbindung dieser drei Disziplinen die Mechatronik entwickelt. Um autonome Systeme zu entwickeln, die eine gewisse Eigenständigkeit, beispielsweise bei der Wegfindung aufweisen, werden immer mehr wissenschaftliche Disziplinen in die Robotik eingebunden. Hier liegt ein Schwerpunkt bei der Verbindung von Konzepten der Künstlichen Intelligenz oder der Neuroinformatik (Teilgebiete der Informatik) und ihrer biologischen Vorbilder Biokybernetik (Teilgebiet der Biologie). Aus der Verbindung von Biologie und Technik entstand wiederum die Bionik.

Wichtigste Bestandteile eines Roboters sind die Sensoren, zur Erfassung der Umwelt bzw. der Achspositionen, die Aktoren, zum Agieren innerhalb der erfassten Umgebung, die Robotersteuerung und das mechanische Gestell inklusive der Getriebe des Roboters. Ein Roboter muss nicht unbedingt vollständig autonom handeln können, darum unterscheidet man autonome und ferngesteuerte Roboter.

Siehe auch: Synchrodrive

Roboterkinematiken

Der mechanische Aufbau eines Roboters wird mit Hilfe der Kinematik beschrieben. Dabei sind folgende Kriterien von Bedeutung:

Bewegungsform der Achsen

Hier wird zwischen translatorischen und rotatorischen Achsen unterschieden.

Anzahl und Anordnung der Achsen

Zur Beschreibung von Robotern wird sowohl die Anzahl als auch Anordnung der Achsen herangezogen. Hierbei sind die Reihenfolge und die Lage der Achsen zu berücksichtigen. Diese können z. B. mit den so genannten Denavit-Hartenberg Parametern (dh-Parameter) beschrieben werden.

Formen des Arbeitsraumes

Obige Kriterien in Verbindung mit den Abständen der Achsen zueinander bzw. deren Verfahrwege ergeben die Form und Größe des Arbeitsraumes eines Roboters. Gebräuchliche Arbeitsräume sind: Kubus, Zylinder, Kugel oder Quader.

Mathematische Beschreibung von Robotern

Um Roboter überhaupt erst mal in Bewegung setzen zu können, müssen sie mathematisch beschrieben werden. Dies geschieht durch Transformationen; siehe hierzu auch Koordinatentransformation. Dabei beschreibt die Transformation T die Lage eines Koordinatensystems (KOS) in Relation zu einem Bezugskoordinatensystem. Da sich die Lage des KOS im allgemeinen Fall sowohl durch Verdrehungen als auch durch Translation ergeben kann, ist zur Berechnung ein rotatorischer - die Vektoren A, B, C als Einheitsvektoren - und auch ein translatorischer Anteil P, eine Verschiebung, notwendig.

Mathematisch wird somit der dreidimensionale, rotatorische Anteil ergänzt um eine weitere Dimension, einen Vektor, die kombiniert zu folgender 4 x 4 - Matrix führen:

Wird nun jeder Achse ein Koordinatensystem z.B. entsprechend der Denavit-Hartenberg-Transformation zugeordnet, ist man in der Lage die Position beliebig vieler, aufeinander folgender Achsen zu berechnen. Praktisch lässt sich bereits die Berechnung von 6 Achsen nur mit einem erheblichen Schreibaufwand realisieren. Um nur eine Position - auch Pose (Computervisualistik) genannt, wenn es sich um 6 Dimensionen handelt - zu berechnen, kann daher ein Hilfsmittel wie eine Tabellenkalkulation hilfreich sein. Ist die Berechnung mehrerer Posen notwendig, empfiehlt es sich auf entsprechende mathematisch orientierte Softwareprodukte so z.B. Matlab oder auf FreeMat zurückzugreifen.

Roboterauswahl

Bei der Wahl z. B. eines Industrieroboters sind verschiedene Kriterien von Bedeutung: Traglast, deren Schwerpunkt und Eigenträgheit, der Arbeitsbereich in dem der Prozess stattfinden soll, die Prozessgeschwindigkeit bzw. die Zykluszeit und die Genauigkeit des Roboters. Letztere wird auf der Basis der ISO9283 ermittelt. Dabei wird im wesentlichen zwischen der Genauigkeit der Position (hier wird auch von Pose gesprochen) und der Bahn unterschieden. Für die Pose als auch für die Bahn wird in der Regel sowohl die so genannte Absolut- als auch die Wiederholgenauigkeit ermittelt. Dabei spiegelt die Absolutgenauigkeit den Unterschied zwischen der tatsächlichen und der theoretischen, der programmierten, Pose wider. Hingegen ergibt sich die Wiederholgenauigkeit aus mehreren Fahrten bzw. Messungen auf theoretisch die gleiche Position. Sie ist somit ein Maß für die Streuung.

Roboterarten

Der Begriff „Roboter“ beschreibt ein weitgefächertes Gebiet, weshalb man Roboter in viele Kategorien einordnet. Einige davon sind:

Humanoide Roboter

Humanoider Roboter ASIMO

Das Bild des Humanoiden Roboters in der Literatur wurde, wie bereits erwähnt, maßgeblich durch die Erzählungen Isaac Asimovs in den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts geprägt. Humanoide Roboter waren lange Zeit technisch nicht realisierbar. Für die Entwicklung humanoider Roboter müssen viele wichtige Probleme gelöst werden. Sie sollen autonom in ihrer Umwelt reagieren und möglichst auch interagieren können, wobei ihre Mobilität durch zwei Beine als Fortbewegungsmittel beschränkt ist. Außerdem sollen sie durch zwei künstliche Arme und Hände Arbeiten verrichten können. Seit 2000 (z. B. ASIMO von Honda [3]) scheinen die grundlegenen Probleme gelöst. Inzwischen werden regelmäßig neue Entwicklungen in diesem Bereich vorgestellt.

Die Humanoiden können auch der Gattung Laufroboter zugeordnet werden, während man einige Serviceroboter eher als Fahrroboter bezeichnen müsste.

Industrieroboter

1954 meldete George Devol erstmals ein Patent für Industrieroboter an. Heutige Industrieroboter sind in der Regel nicht mobil. In ihrer Form und Funktion sind sie speziell auf eine oder wenige Einsatzgebiete festgelegt. 1961 wurden sie erstmals bei General Motors in Produktionslinien eingesetzt. In Deutschland wurden Industrieroboter, beispielsweise für Schweissarbeiten in der Automobilindustrie, seit etwa 1970 eingesetzt.

Zu den Industrierobotern zählen auch die sogenannten Portalroboter, die beispielsweise bei der Produktion von Wafern, in Vergussanlagen oder in der Messtechnik eingesetzt werden. Heute werden auch viele Handlingaufgaben durch Industrieroboter ausgeführt. Siehe dazu: Handlingsysteme

Haushaltsroboter

Haushaltsroboter verrichten selbständig Arbeiten im Haushalt. Bekannte Anwendungen umfassen

Spielroboter

Der Spielzeugroboter Aibo im Turnier

Die meisten roboterähnlichen Spielzeuge sind keine Roboter, da ansonsten sämtlich selbst bewegende Gegenstände als Roboter anzusehen wären. Trotzdem gibt es Roboter die man als Spielroboter bezeichnet, da ihr automatisierter Funktionsumfang keinerlei arbeits- oder forschungstechnischen Nutzen haben. Ein Beispiel hierfür ist der Hund ähnelnde Lauf- und Spielroboter Aibo von Sony oder der Robosapien von WowWee. Diese Spieleroboter werden in der Four-Legged League beim jährlichen Roboterfußball eingesetzt. Seine Produktion wurde trotzdem eingestellt.

Erkundungsroboter

Unter Erkundungsrobotern versteht man Roboter, die an Orten operieren, die für den Menschen (lebens-)gefährlich oder gar unzugänglich sind und ferngesteuert oder (teilweise) autark operieren. Dies gilt z. B. für Gebiete, in denen ein militärischer Konflikt ausgetragen wird. Aber auch für Gegenden, die bisher für den Menschen nur sehr schwer oder gar nicht erreichbar sind, wie z. B. die Mond- oder Mars-Oberfläche. Schon allein wegen der riesigen Entfernung der anderen Planeten ist eine Fernsteuerung von der Erde aus unmöglich, weil die Signale hin und zurück Stunden benötigen würden. In diesen Fällen müssen dem Roboter eine Vielzahl von möglichen Verhaltensweisen einprogrammiert werden, wovon er die sinnvollste wählen und ausführen muss.

Zur Erkundung enger Pyramidenschächte, in die Menschen nicht eindringen können, wurden schon mit Sensoren bestückte Roboter eingesetzt. Es wird auch darüber nachgedacht, einen sogenannten Cryobot, der sich durch Eis schmilzt, in den Wostoksee herab zu lassen. Dieser ist von der Außenwelt durch eine über 3 km dicke Eisschicht hermetisch abgeriegelt. Forscher vermuten in diesem ein unberührtes Ökosystem, was auf gar keinen Fall durch „oberirdische“ Mikroben kontaminiert werden soll.

Drohnen/Kampfroboter

Drohnen sind Roboter, die zu (meist militärischen) Aufklärungszwecken eingesetzt werden. Diese können sich in der Luft, zu Land oder auf/unter Wasser selbstständig oder autark bewegen. Beispiele hierfür sind die luftgestützte Global Hawk oder die landgestützte SWORDS. Diese können sowohl zur reinen Selbstverteidigung als auch zum aktiven Angriff auf Ziele Waffen mit sich tragen.

Rover/Lander

Unter einem Rover versteht man in der Raumfahrt Roboter, die sich mobil auf der Oberfläche anderer Himmelskörper (z. B. Mond/Mars) fortbewegen. Beispiele hierfür sind die sowjetischen Lunochod-Mondmobile oder die Zwillingsroboter Spirit und Opportunity. Letztere können sich unabhängig von der Bodenkontrolle ihren Weg suchen. Auch nicht mobile Einheiten, sogenannte Lander, können als Roboter bezeichnet werden. Die Mondrover der Apollomissionen waren keine Roboter, weil sie direkt von Menschen gesteuert wurden.

Sonstige

Ebenfalls als Roboter bezeichnet man mobile Einheiten, die zum Aufspüren, Entschärfen oder Sprengen von Bomben oder Minen eingesetzt werden, wie z. B. der sogenannte TALON-Roboter. Auch gibt es Roboter, die in Trümmern nach verschütteten Menschen suchen können. Mittlerweile gibt es auch den sog. Killer-Roboter. [4] [5]

Zukünftige Entwicklung

2004 waren 2 Millionen Roboter im Einsatz, allein im Jahr 2008 werden 7 Millionen zusätzliche Installationen erwartet.[6] Die deutsche Roboterbranche steigerte 2007 den Umsatz um 13 Prozent. Auch in den kommenden Jahren wird ein Wachstum von 5 bis 10 Prozent erwartet.[7] Die EU fördert Forschungsarbeiten, die bis 2010 ermöglichen könnten, dass Roboter für einfache Tätigkeiten in Krankenhäusern eingesetzt werden, z. B. Krankenbettentransport, Essensausgabe, Reinigungsarbeiten. [8] Bis Ende 2008 soll ein Prototyp als Erntehelfer auf Obstplantagen entwickelt werden. [9] General Motors plant erste unbemannte PKW im Test ab 2015 und in der Serienproduktion ab 2018.[10][11] Ab 2010 sollen humanoide Roboter vermarktet werden.[12] Künstliche Intelligenz befindet sich auf dem Weg zum Bewusstsein. [13]

Literatur

 Wiktionary: Roboter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik
 Commons: Roboter – Bilder, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Dr.-Ing. Michael Naval, Roboter-Praxis, Würzburg: Vogel Verlag (1989), ISBN 3-8023-0210-9
  2. heise.de: Chaotisches Roboter-Lager beschleunigt Auslieferung
  3. heise.de: Hondas humanoider Roboter läuft schneller und sicherer
  4. golem.de: Samsung entwickelt Killer-Roboter für die Objektsicherung
  5. heise.de: Robocop soll die innerkoreanische Grenze schützen
  6. golem.de: Bill Gates: Ein Roboter in jedem Haushalt bis 2013
  7. heise.de: Roboterbranche boomt: Deutsche Firmen rechnen mit starkem Wachstum
  8. golem.de: Roboterkrankenschwestern schwirren ab 2010 durch die Gänge: EU fördert Forschungsarbeit
  9. heise.de: USA: Roboter sollen Erntehelfer ersetzen.
  10. spiegel.de: Autofahrer ab 2018 überflüssig
  11. golem.de: CES: General Motors plant Autos ohne menschliche Fahrer
  12. spiegel.de: „bereits ab 2010 will das Unternehmen sogenannte ‚Partner-Roboter‘ vermarkten.“
  13. golem.de: Künstliche Intelligenz auf dem Weg zum Bewusstsein