Roboter

Ein Roboter ist eine technische Apparatur, die üblicherweise dazu dient, dem Menschen häufig wiederkehrende oder gefährliche mechanische Arbeit abzunehmen. Sie können sowohl ortsfeste als auch mobile Maschinen sein. Roboter werden von Computerprogrammen gesteuert.

Das Wort wurde 1920 vom Schriftsteller Karel Čapek geprägt. Seine Bedeutung hat sich aber im Laufe der Zeit gewandelt.

Bezeichnung Der Ursprung des Wortes Roboter liegt im tschechischen Wort robota, Robot, das mit ‚Frondienst‘ oder ‚Zwangsarbeit‘ übersetzt werden kann. Es geht wiederum wie das altkirchenslawische Wort rabota ‚Knechtschaft‘ auf urindogermanisch *orbh- (aktuellere Rekonstruktion *h₃erbʰ- ‚die Seite wechseln‘, *h₃órbʰos ‚Waise; Diener, Sklave, Arbeiter‘) zurück und ist damit mit dem deutschen ‚Arbeit‘ verwandt. Ähnlich gab es im Spätmittelhochdeutschen für einen ‚Arbeiter im Frondienst‘ den Begriff robāter, robatter.

Die Bezeichnung robot wurde 1920 von Josef Čapek, einem bedeutenden Literaten, geprägt, dessen Bruder Karel Čapek ursprünglich den Namen labori verwendet hatte, als er in seinem Theaterstück R.U.R. in Tanks gezüchtete menschenähnliche künstliche Arbeiter auftreten ließ, die dafür geschaffen worden sind, menschliche Arbeit zu übernehmen, und die dagegen revoltieren.Tomáš Sedláček: Die Ökonomie von Gut und Böse. Hanser Verlag, München 2012, ISBN 978-3-446-42823-2, S. 36. Mit seinem Werk griff Čapek das klassische, ebenfalls in der Prager Literatur der jüdischen Mystik verbreitete Motiv des Golems auf. Čapeks Kunstgeschöpfe könnten als Androiden (künstliche MenschenRonald M. Hahn, Volker Jansen: Lexikon des Science Fiction-Films. Heyne, München 1997, ISBN 3-453-11860-X, S. 18 (Roboter/Androiden/Cyborgs).) bezeichnet werden. Vor der Prägung des Wortes Roboter wurden solche Maschinen Automaten oder Halbautomaten genannt. Eines der ersten industriell hergestellten Produkte mit dem Namen Robot(er) war die Kamera Robot-1 von Otto Berning & Co. aus dem Jahre 1934.

Definitionen 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 1983 von Japan 47.000 dort installierte Roboter gemeldet wurden, von denen nach VDI-Richtlinie 2860 nicht einmal 3000 als Roboter gegolten hätten.Michael Naval: Roboter-Praxis. Vogel, Würzburg 1989, ISBN 3-8023-0210-9.

Definition nach VDI-Richtlinie 2860

Definition nach Robotic Industries Association

Aktueller ist die Auffassung, dass man unter einem Roboter ein Gerät versteht, das mindestens über drei frei bewegliche Achsen verfügt.http://definitions.uslegal.com/r/robotics/ abgerufen am 16. April 2012.

Definition nach JARA

Die Japan Robot Association gibt die folgenden Merkmale vor: Manual Manipulator: Handhabungsgerät, das kein Programm hat, sondern direkt vom Bediener geführt wird, Fixed Sequence Robot: Handhabungsgerät, das wiederholt nach einem konstanten Bewegungsmuster arbeitet. Das Ändern des Bewegungsmusters ist relativ aufwendig, Variable Sequence Robot: Handhabungsgerät, wie vorher beschrieben, jedoch mit der Möglichkeit, den Bewegungsablauf schnell und problemlos zu ändern, Playback Robot: Der Bewegungsablauf wird diesem Gerät einmal durch den Bediener vorgeführt und dabei im Programmspeicher gespeichert. Mit der im Speicher enthaltenen Information kann der Bewegungsablauf beliebig wiederholt werden, Numerical Control Robot: Dieses Handhabungsgerät arbeitet ähnlich wie eine NC-gesteuerte Maschine. Die Information über den Bewegungsablauf wird dem Gerät über Taster, Schalter oder Datenträger zahlenmäßig eingegeben, Intelligent Robot: Diese höchste Roboterklasse ist für Geräte gedacht, die über verschiedene Sensoren verfügen und damit in der Lage sind, den Programmablauf selbsttätig den Veränderungen des Werkstücks und der Umwelt anzupassen.

Kulturgeschichte

In der Literatur und anderen Medien wird der Roboter vor allem als „Maschinenmensch“ thematisiert beziehungsweise als autonomes Maschinenwesen, das dem Menschen als Helfer oder aber als Bedrohung gegenübersteht. Der im allgemeinen Sprachgebrauch verwurzelte Begriff Roboter entstammt ursprünglich dem 1920 veröffentlichtem Theaterstück R.U.R. von Karel Čapek und ist ein Beispiel für die Wechselwirkung zwischen der Fiktion und dem realen Fortschritt der Technik. Roboter treten bereits in der Frühzeit des Films auf und sind, in unterschiedlichster Gestalt, ein wiederkehrendes Thema der Science-Fiction.

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 seiner Kurzgeschichte 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.

Bereits 2004 waren zwei Millionen Roboter aller Art im Einsatz.golem.de: Bill Gates: Ein Roboter in jedem Haushalt bis 2013. Im Jahr 2022 gab es schon allein 3,9 Millionen Industrieroboter, laut Erhebungen des Robotikverbandes International Federation of Robotics. Die Roboterdichte hat sich laut dieser Quelle innerhalb von 6 Jahren auf 151 je 10.000 Arbeiter verdoppelt. In Deutschland lag dieser Wert bei 415 und wurde lediglich von Südkorea und Singapur übertroffen.ifr.org: Global Robotics Race, 10.01.2024, Zugriff am 6. Februar 2024.

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 beim Pathfinding) aufweisen, werden immer mehr wissenschaftliche Disziplinen in die Robotik eingebunden. Hier liegt ein Schwerpunkt der Verbindung von Konzepten der Künstlichen Intelligenz oder der Neuroinformatik und ihrer biologischen Vorbilder (Biologische Kybernetik). Aus der Verbindung von Biologie und Technik entstand wiederum die Bionik.

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

Roboterkinematiken Der mechanische Aufbau eines Roboters wird mit Hilfe der Kinematik beschrieben. Dabei sind folgende Kriterien von Bedeutung: Bewegungsform der Achsen Anzahl und Anordnung der Achsen Formen des Arbeitsraumes (kartesisch, zylindrisch, kugelig)

Außerdem wird unterschieden in offene Kinematiken und geschlossene Kinematiken. Eine offene Kinematik ist dadurch gekennzeichnet, dass alle Achsen der kinematischen Kette hintereinander liegen, so wie an einem menschlichen Arm. Es ist also nicht jedes Glied der Kette mit zwei anderen Gliedern verbunden. In einer geschlossenen Kinematik hingegen ist jedes Glied mit mindestens zwei anderen Gliedern verbunden (Beispiel: Hexapodroboter).

Die Begriffe Vorwärtskinematik und Inverse Kinematik (auch Rückwärtskinematik) bezeichnen die mathematische Modellierung der Bewegung von Robotersystemen. In der Vorwärtskinematik werden für jedes Gelenk der kinematischen Kette Einstellparameter vorgegeben (je nach Gelenktyp Winkel oder Strecken) und die daraus resultierende Position und Orientierung des Endeffektors im Raum wird berechnet. Bei der Rückwärtskinematik werden dagegen Position und Orientierung des Endeffektors vorgegeben und die erforderlichen Einstellparameter der Gelenke werden berechnet (Vorwärts- und Rückwärtstransformation).

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 im Falle einer seriellen (offenen) Kinematik wie mit der so genannten Denavit-Hartenberg-Transformation beschrieben werden.

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

Mathematik und Roboter Häufig verwendete Koordinatensysteme bei Industrierobotern Die wichtigsten Koordinatensysteme (Abk. KOS) bei Robotern sind das Basis- oder Welt-KOS, das sich in der Regel im Roboterfuß befindet, das Tool-KOS, das sich im Roboterflansch befindet. Bezüglich dieses KOS ist der Tool Center Point (Abk. TCP) einzumessen, der den Arbeitspunkt des montierten Tools beschreibt. Der TCP kann in der Regel aus den CAD-Daten übernommen werden oder wird mit Hilfe des Roboters durch Messfahrten ermittelt, das Werkstück-KOS, das die Lage des Prozesses oder Werkstückes beschreibt und es festlegt oder einmisst. Die Positionen, die der Roboter anfährt, werden in der Regel in diesem KOS beschrieben. Der Vorteil eines Werkstückkoordinatensystems zeigt sich bei Änderungen der Anlage, da damit eine Wiederinbetriebnahme einfach durch Einmessung des Werkstück-KOS deutlich erleichtert wird. Zur Vermessung des Werkstück-KOS stehen meistens Routinen von den Roboterherstellern zur Verfügung. Grundsätzlich wird dabei in der Regel durch drei Punkte eine Ebene beschrieben.

Mathematische Beschreibung von Robotern Um Roboter in Bewegung setzen zu können, müssen sie mathematisch beschrieben werden. Dies geschieht durch Transformationen (siehe auch Koordinatentransformation). Dabei beschreibt die Transformation T die Lage eines Koordinatensystems in Relation zu einem Bezugskoordinatensystem. Da sich die Lage des KOS im allgemeinen Fall sowohl durch Verdrehungen als auch durch Translation ergeben kann, sind zur Berechnung ein rotatorischer – die Vektoren A, B und 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 homogenen 4 × 4 – Matrix führen:

Wird nun jeder Achse ein Koordinatensystem beispielsweise 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 sechs Achsen nur mit einem erheblichen Schreibaufwand realisieren. Um nur eine Pose (Position und Orientierung) 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 wie Matlab oder auf FreeMat zurückzugreifen.

Direkte Kinematik Die direkte Kinematik wird verwendet, um aus den gegebenen Achswinkeln, also den Verschiebungen der Gelenke eines Roboters, die kartesischen Koordinaten und die Orientierung des TCPs zu ermitteln. Sind die Denavit-Hartenberg-Parameter () bekannt, so kann mit

die Transformation zwischen zwei Achsen bestimmt werden. Verallgemeinert ergibt sich:

Für Industrieroboter mit den üblichen sechs Achsen ist diese Transformation somit fünfmal durchzuführen. Um einen TCP zu berücksichtigen, wird eine weitere Transformation angefügt. Bei der Vorwärtstransformation ergibt sich somit für einen sechsachsigen Roboter mit Tool