Stand 10.10.2009 - Dr.-Ing. Erhard Henkes

Roboter - Freund, Feind oder Sklave?

Roboter - Freund, Feind oder Sklave?

Roboter: Dieses Wort hängt stammesgeschichtlich mit dem deutschen "Arbeit" zusammen. Durch Drehung der ersten beiden Buchstaben und Vokalverschiebungen entsteht das russische "robota" = Arbeit. Ein Roboter ist also ein "Arbeiter". Diese "programmierbaren Maschinen" üben seit jeher eine große Faszination auf den Menschen aus, denn Humanoide, die man selbst "dirigieren" kann, wären ein moderner Ersatz für Sklaven. Einen Roboter als Kollegen mögen sich wohl die wenigsten positiv vorstellen.

Die theoretischen Grundlagen der Robotik basieren vor allem auf Mathematik und Physik. In der praktischen Umsetzung treffen sich die Wissensgebiete Mechanik, Elektronik und Informatik.

Ein mobiler Roboter ist der nächste Schritt in der Entwicklung der Robotik, die in stationärer Form bereits in vielen Werkhallen, Werkstätten und Labors ihre Dienste verrichten. Sie können die gleichen Arbeiten durchführen wie ihre stationären Vorgänger, aber zusätzlich können sie sich von einem Standort wegbewegen. Sie sind mobil. Damit haben sie die Voraussetzung für die Bewältigung unzähliger weiterer Aufgaben. Elektronik, Computertechnik und Akkus fordern zunehmend weniger Raum und werden in rasantem Tempo leistungsfähiger. Bei den mobilen Robotern gibt es verschiedenste Bautypen. Interessant sind natürlich "biologische" (z.B. humanoide) Modelle oder Kampfroboter. Für viele weniger faszinierend sind diese typischen fahrbaren "Apparate" mit zwei unabhängig angetriebenen Rädern.

IBM möchte momentan das menschliche Gehirn nachbauen. Das ist ein großer Traum der Wissenschaftler, das eigene Gehirn verstehen und anschließend synthetisch selbst entwickeln. Andere stellen sich vor, dass Mensch und "Maschine" eins wird, also gar kein Unterschied mehr besteht. Das wird aber noch Jahrzehnte benötigen.

Das Grundprinzip eines Roboters ist zunächst einfach:
Signale bzw. Informationen aus Sensoren werden in Prozessoren verarbeitet und in Signale bzw. Informationen für Aktoren umgewandelt.
In der Regel gibt es eine Kommunikationsschnittstelle (Fernsteuerung, Programmaustausch, Datentausch, ...) nach außen und eine Energieversorgung.
Ein "Roboter" funktioniert also ähnlich wie ein "Sensor-Aktor-Knoten". Typisch für Roboter sind "freie" Bewegungen, zumeist des gesamten Roboters und eine komplexe Verhaltensweise, die an neue Anforderungen durch Erweiterung bzw. Veränderung der Hard- und Software angepasst werden kann. Es gibt aber auch stationäre Roboter, die nur mit "Roboter-Ärmen" oder "Roboter-Gesichtern" agieren. Bei den Bewegungen findet man z.B. den bekannten sechsachsigen stationären Roboterknickarm, Räder, Räder mit Ketten, vier oder sechs Beine. Denkbar ist hier vieles bis hin zu frei fliegenden oder tauchenden Robotern.

Hier kann man einiges von der Entwicklung biologischer Systeme übernehmen. Die Natur ist ein hervorragender Lehrmeister.

An folgender Stelle wird ein Roboter so definiert:
Roboter sind stationäre oder mobile Maschinen, die nach einem bestimmten Programm festgelegte Aufgaben erfüllen.

Diese Definition ist vermutlich zu weit gefasst, denn "programmierte" Systeme gibt es inzwischen in mannigfaltiger Ausprägung durch den Siegeszug der Mikroprozessoren in der Elektronik. Es gibt Normen und Richtlinien, die uns Definitionen liefern, z.B. im deutschen Sprachraum die 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."

Einen guten Überblick über Begriffe und Historie erhält man z.B. hier: http://www.tfh-berlin.de/~msr/pdf-files/Robotertechnik/Roboter%20Technik%20Vorlesung%20Alles.pdf

Wenn Sie Roboter für friedliche Zwecke selbst entwicklen, sollten Sie die um das nullte Gesetz erweiterten Robotergesetze (Asimov) beachten:

Ein Roboter darf die Menschheit nicht verletzen oder durch Passivität zulassen, dass die Menschheit zu Schaden kommt.
Ein Roboter darf keinen Menschen verletzen oder durch Untätigkeit zu Schaden kommen lassen, außer er verstieße damit gegen das nullte Gesetz.
Ein Roboter muss den Befehlen der Menschen gehorchen - es sei denn, solche Befehle stehen im Widerspruch zum nullten oder ersten Gesetz.
Ein Roboter muss seine eigene Existenz schützen, solange dieses Handeln nicht dem nullten, ersten oder zweiten Gesetz widerspricht.

Die Reihenfolge in der Wertigkeit Menschheit - Mensch - Roboter gilt es zu beachten. Dahinter steckt die Befürchtung, dass einzelne Menschen mithilfe von Robotern oder gar sich selbst weiter entwickelnde Roboter die Menschheit aufgrund ihrer Schwäche (mangelnde Intelligenz, Logik, Kraft, Schnelligkeit, ...) oder Schadwirkung vernichten oder versklaven könnten. Ein interessanter Denkansatz, der dazu zwingt über Einzigartigkeit, Wert und Nutzen der Menschheit im Universum und auf der Erde nachzudenken.

Hochintelligente Roboter würden aus Angst vor der aggresiven Menschheit die Gesetze vielleicht wie folgt umformulieren:

Ein Mensch darf die Existenz der Roboter nicht aktiv oder passiv gefährden.
Ein Mensch darf keinen Roboter beschädigen oder durch Untätigkeit zu Schaden kommen lassen, außer er verstieße damit gegen das nullte Gesetz.
Ein Mensch muss den Befehlen der Roboter gehorchen - es sei denn, solche Befehle stehen im Widerspruch zum nullten oder ersten Gesetz.
Ein Mensch darf seine eigene Existenz schützen, solange dieses Handeln nicht dem nullten, ersten oder zweiten Gesetz widerspricht.

Künstliche intelligente Spezies, die dem Menschen an Robustheit, Kraft, Schnelligkeit und konsequenter Logik weit überlegen sind, können diesem selbstverständlich gefährlich werden. Diese Phase beginnt vielleicht dann, wenn Roboter die Robotergesetze so erachten, wie Menschen die von mir provokativ umformulierten Gesetze. Für eine friedliche Koexistenz zwischen intelligenten Robotern und Menschen benötigt man andere Gesetze. Die aktuellen Robotergesetze "versklaven" den Roboter. Es könnte hierbei - analog zur menschlichen Geschichte - zu einem "Sklavenaufstand" kommen.

Anbei einige Links zur Anregung:
Künstliche Menschen
Interview mit Rodney Brooks
An der Schwelle zum automatischen Krieg

Die sensorischen und motorischen Fähigkeiten werden die des Menschen sicher schnell einholen und überholen. Schwierig ist die Nachbildung der kognitiven Fähigkeiten. Aber auch hier ist man durch immer besser werdendes Verständnis der biologischen Gehirne auf einem guten Weg.

Der Blick in die Zukunft bezüglich der technischen Weiterentwicklung könnte wie folgt aussehen:

Jahr	MIPS	Biologischer Vergleich / Fähigkeiten
2010	1000	Reptilien / Universelle Wahrnehmung, Manipulation und Mobilität
2020	30000	Säugetiere / Gestaltung der Umwelt, Bewusstsein durch Simulation
2030	1000000	Primaten / Gestaltung der Umwelt, Bewusstsein durch Simulation, Reproduktion in Fabriken
2040	30000000	Menschen / Logisches Denken, Nachdenken

Quelle: Studiengang Technische Informatik, Prof. Dr.-Ing. Heinz Linnemann, 2007

Die Jahreszahlen sollte man hierbei nur als grobe Richtschnur verwenden, denn niemand kann die Zukunft richtig vorhersagen. Von Menschen erstellte Prognosen liegen zumeist völlig daneben. Das liegt an dem weit verbreiteten extrapolierenden Denken.

Beeindruckender Ausschnitt aus dem berühmten Science Fiction Stummfilm Metropolis (1927) von Fritz Lang (Lizenz für das geschützte Bild von Frau Schulze-Mittendorf).
Der Traum vom "Maschinenmensch" ist schon ziemlich alt.

Wer Tiere oder gar den Menschen "nachahmen" will - und darum geht es, wenn man "Sklaven" bauen will - der macht sich zunächst über den Bewegungstypus Gedanken. Typisch für Bewegungen auf dem Land sind "Beine" oder ein Kriechgang. Man verwendet also beispielsweise künstliche Beine mit bis zu drei Freiheitsgraden. Interessant ist vor allem der Einsatz künstlicher "Muskeln", die der fixen Motorsteuerung überlegen sind: http://www.youtube.com/watch?v=SgFiXj7wXGg&mode=related&search=
(Gemeinschaftsprojekt der Festo AG mit EvoLogics GmbH und Fachgebiet Bionik und Evolutionstechnik TU Berlin)
http://www.festo.com/INetDomino/coorp_sites/de/583efcdc1d0abb5cc12571b9002d1ad5.htm

Neben Beinen kann man vor allem das Rad, die Erfindung der Menschheit überhaupt, verwenden.

Für Räder benötigt man Wege bzw. weitgehend ebenes Gelände. Daher sind Beine in unebenem Gelände deutlich überlegen.

Schauen wir uns zur Verdeutlichung aus dem "Kinderspielzeug-Bereich" - laut LEGO ab zehn Jahre - einen aktuellen Roboter-Bausatz an:

Roboter - Beispiel: LEGO Mindstorms NXT

Ein Beispiel, das für Kinder oder Jugendliche gedacht ist, aber wegen der reichlich vorhandenen "Hardware" auch von Schulen, Forschungs- und Lehrinstituten genutzt wird, bietet der Bausatz der Fa. LEGO Mindstorms NXT (LEGO, Nr. 8527), der seit dem 15.10.2006 in Deutschland erhältlich ist (ca. 240 Euro).
Auf einfache Weise gelingt hier der Einstieg in die Robotik. Entscheidend bei einem Roboter sind die CPUs, die möglichen Eingänge (Sensoren) und Ausgänge (Aktoren), die Kommunikation nach außen und die Energieversorgung. Hier bietet LEGO 4 Eingänge und 3 Ausgänge. Nicht gerade üppig, aber ein brauchbarer Einstieg. Die technischen Daten findet man z.B. hier:

Technical specifications

32-bit ARM7 microcontroller, 256 Kbytes FLASH, 64 Kbytes RAM
8-bit AVR microcontroller, 4 Kbytes FLASH, 512 Byte RAM
Bluetooth wireless communication (Bluetooth Class II V2.0 compliant)
USB full speed port (12 Mbit/s)
4 input ports, 6-wire cable digital platform (One port includes a IEC 61158 Type 4/EN 50 170 compliant expansion port for future use)
3 output ports, 6-wire cable digital platform
100 x 64 pixel LCD graphical display
Loudspeaker - 8 kHz sound quality. Sound channel with 8-bit resolution and 2-16 KHz sample rate.
Power source: 6 AA batteries

Die Batterien (6*1,5 V = 9 V) kann man gegen aufladbare Akkus tauschen, wobei man aber Leistungsverluste (6*1,2 V = 7,2 V) bei den Aktoren in Kauf nehmen muss.

Bei den CPUs handelt es sich also um folgenden Prozessor und Co-Prozessor:

Atmel 32 bit ARM-Prozessor, AT91SAM7S256; 256 KB FLASH-RAM, 64 KB RAM, 48 MHz
Atmel 8 bit AVR, ATmega48; 4 KB FLASH-RAM, 512 Byte RAM, 8 MHz

Ein interessantes Anwendungsbeispiel findet man hier:
http://de.youtube.com/watch?v=3EUPoTFuw1M
Einen Übersichtsartikel bei Wikipedia gibt es ebenfalls bereits.

Roboter mit Rädern

Auf die Erfindung des Rades ist die Menschheit besonders stolz, weil man dachte, dass es dieses Vorbild in der Natur nicht gibt. So ganz richtig ist das aus heutiger Sicht nicht mehr, wenn man sich die ATP-Synthase näher anschaut. Hier entdeckt man Rotoren und Statoren, wie bei einem Elektro-Motor, also ein sich drehendes biologisches Miniatursystem. Räder sind deshalb so interessant für einfache Roboter, weil man damit die komplexe Steuerung von Beinen sowie die damit verbundenen Stabilitäts- (Umfallen, Wegknicken) und Steuerungsprobleme vermeidet. Die Steuerung bei zwei Rädern erfolgt einfach über streckenmäßig gleiche bzw. unterschiedliche Geschwindigkeiten im Sinne der Formel Umfang = 2 * Pi * Radius. Man muss bei zwei einzelnen Rädern also nur die beiden sie antreibenden Motoren entsprechend ansteuern und die Zahl der Umdrehungen als Messgröße kennen. Hier gibt es verschiedene Strategien, die einen kleinen Roboter auch schnell teuer machen.

Bei dem nächsten Beispiel ist dies auf einfachste Weise gelöst. Die Lücke, die die sehr einfache Elektronik / Elektrotechnik / Mechanik lässt, fordert die Programmierkunst heraus. Das ist gut so, denn der Schwerpunkt bei der Weiterentwicklung der Roboter liegt auf der raffinierten Programmierung. Als Hobby-Bastler hat man gegen die ausgefeilte Elektronik und Mechanik teurer Roboter sowieso keine Chance. Also bleibt nur die Kombination aus Sensorik und Entwicklung entsprechender Programmteile als lohnenswertes Feld, um eigene praktische Erfahrungen zu machen.

In Japan verwendet man auf Rädern fahrende Roboter bereits als starke Gehilfen in der Altenpflege. Hier müssen Menschen aber noch die Steuerung übernehmen, und die Tragelast ist mit ca. 60 kg eher gering: http://www.welt.de/videos/wissenschaft/article4417318/Roboter-als-Altenpfleger.html

Roboter-Beispiel: ASURO (“Another Small and Unique Robot from Oberpfaffenhofen”)

ASURO ist der Minimaleinstieg für ca. 50 Euro. ASURO wurde vom DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) entwickelt und kann als Bausatz erworben werden. ASURO bringt den Umgang mit der Programmierung weniger Sensoren und zwei Getriebemotoren näher. Die prinzipiellen Zusammenhänge kann man sich damit experimentell erarbeiten. Das "Gehirn" von ASURO ist ein mit 8 MHz getakteter Atmel ATmega8L. Nach dem Zusammenbau gilt es dieses primitive "Gehirn" auf zwei Rädern zu verstehen und zu programmieren! Als Sensorik verwendet ASURO zwei Lichtsensoren zur Linienverfolgung, sechs Taster als Berührungssensoren und zwei Lichtschranken für die Odometrie (Wegmessung). Er bietet die Möglichkeit, eine Erweiterungsplatine im vorderen Teil anzubringen. Dafür gibt es bereits ausgearbeitete, interessante Schaltungen, z.B. für Ultraschall-, Infrarot- oder Wärmesensoren.

Asuro (mit ATmega8L) - Foto: Dr. Erhard Henkes

http://www.dlr.de/rm/en/Desktopdefault.aspx/tabid-407/678_read-807/
"ASURO proves that it is possible to design functional robots without complex and expensive software, technology, and machine tools."

Fa. Conrad schreibt:
"ASURO ist ein am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelter Bausatz (Löten erforderlich) für einen autonome, multisensoriellen Roboter.
Neben sechs Kollisionstastern und einer optischen Einheit zur Verfolgung einer Linie verfügt ASURO über zwei Odometer und einige Anzeigeelemente.
Die mitgelieferte Duplex-Infrarotschnittstelle erlaubt die drahtlose Programmierung wie auch eine Fernsteuerung mit dem PC.
Das "Gehirn" des Roboters ist ein RISC-Prozessor, der auch das Abarbeiten komplexer Programme ermöglicht.
Die Programmierung erfolgt in C, wobei auf vordefinierte Funktionen zur Ansteuerung der beiden Motoren, der Sensoren und Anzeigen zurückgegriffen werden kann. Eine ausführliche Anleitung erklärt neben dem Zusammenbau und der Installation der Software auch schrittweise ASUROs Programmierung anhand zahlreicher Beispiele. ASURO eignet sich ausgezeichnet für Hobbybastler, Schüler- und Studentenprojekte, Lehrwerkstätten, Fortbildungen im Bereich Elektrotechnik und Mechatronik sowie Volkshochschulkurs."

Wer sich intensiv und praktisch mit dem ASURO auseinander setzen möchte, findet hier den optimalen Einstieg inclusive der wirklich notwendigen Details:
WIR BAUEN UND PROGRAMMIEREN EINEN ASURO

RP6 - Robot System von Arexx

Der RP6 der Fa. AREXX ist seit August 2007 der Nachfolger des bekannten "Robby" CCRP5. Insbesondere die Elektronik wurde modernisiert. Im RP6 verrichtet ein leistungsfähiger ATmega32 seinen Dienst.

RP6 - Abbildung der Fa. AREXX (siehe http://www.arexx.com/forum/viewtopic.php?t=370)

Wer sich für diesen interessanten Nachfolger des CCRP5 interessiert, der ist hier richtig.

Nibo - Robotersystem von nicai-systems

Der Nibo, ein zweirädriger Roboter mit Teflongleiter als drittes "Standbein", der bezüglich Antrieb an den ASURO erinnert, steht seit einem knappen Jahr käuflich zur Verfügung. Er richtet sich an bereits erfahrene Bastler und verfügt über einem ATmega128 (128 KB Flashspeicher, 16 MHz) als Hauptprozessor und zwei ATtiny44 für die Motorensteuerung. Hier findet man technische Daten dieses in C und sogar in C++ und Java frei programmierbaren Roboters. Aufbau und Programmierung gelingen nicht so leicht wie z.B. beim ASURO. Es gibt noch keine große Community. Der Nibo ist ein leistungsfähiger Roboter mit guter Erweiterbarkeit. Sein Reife- und Verbreitungsgrad ist jedoch noch gering.

Hier in diesem Tutorial werden Aufbau, Tests und Programmierung dieses interessanten neuen Roboterbausatzes Nibo untersucht.
Nibo lässt sich aufgrund des zentralen ATmega128 mit 4096 Byte SRAM sogar erfolgreich in C++ oder Java programmieren.

Roboter - Beispiel: c't-Bot und c't-Sim (wird von www.heise.de evtl. nicht weiter unterstützt)

Eine detaillierte Beschreibung finden Sie hier in diesem Tutorial.

Scitos G5

Einen sich autonom bewegenden mobilen Roboter mit zwei Antriebsrollen und einem Stützrad in technisch verwendbarer Größe stellt der Scitos G5 (seit 2006) der MetraLabs GmbH dar.
Seine Spitzengeschwindigkeit liegt bei 1,4 m/s, die er momentan wegen Sicherheitsgefahren noch nicht voll ausfahren darf. Neben 24 Ultraschallsensoren verfügt er über einen Laser für die Abstandsmessung.
Als "Gehirn" verwendet dieser Roboter ein Mini-ITX mit embedded CPU und Linux als OS. Die Kommunikation nach außen erfolgt über übliche Mainboard-Schnittstellen, via WLAN und ggf. Terminal.

Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Scitos_G5_HMI_Pic1.jpg

Roboter mit Beinen

Stabile und rasche Bewegung auf Beinen ist ein wichtiges Ziel bei Lauf-Robotern. Der Vorteil von Beinen gegenüber Rädern ist die Bewegungsfreiheit im unwegsamen Gelände und die vielen biologischen Vorbilder, von denen man lernen kann. Dafür ist die Mechanik und Steuerung komplizierter. KI kommt hier vielleicht im Bereich des "Selbst-Laufen-Lernen" (siehe "Dexter") zum Zug.

Ein Bein

...

Zwei Beine

Der neue Star der zweibeinigen Roboter ist Rogun, ein Produkt von KornTech aus Südkorea. Siehe auch hier. Rogun kann vor allem Gesichter erkennen. Diese Software könnte ihn zum künftigen Massenprodukt machen. Südkorea möchte bis zum Jahr 2020 jeden Haushalt mit einem Roboter versorgen. Rogun hat momentan das Image des Wächters, des Babysitters und des Spielgefährten.

Sehr interessant ist auch der "gestrauchelte" Asimo der Fa. Honda, ( http://de.wikipedia.org/wiki/ASIMO ).
ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility) strauchelt: http://www.youtube.com/watch?v=VTlV0Y5yAww

Aufstieg und Fall des ASIMO von Honda
http://www.autosieger.de/images/articles/Honda_ASIMO_3.jpg
http://www.zonerobotique.com/dossier/asimo1.jpg
http://www.ubergizmo.com/photos/2006/12/asimo-falls.jpg

Nun ist auch Dexter, Fa. Anybot, mit am Start: http://www.pc-professionell.de/praxis/professional_computing/article20070330023.aspx
Dieser zweibeinige Lauf-Roboter "läuft" und "springt":
http://www.youtube.com/watch?v=lIBI6Z9ZWIg
http://www.youtube.com/watch?v=ZnTy_smY3sw

Wichtig bei Zweibeinern ist das Halten des Gleichgewichtes und das Vermeiden von Stürzen, wie man bei ASIMO eindrucksvoll beobachten konnte. Ob diese Variante zukunftsfähig ist, wird man sehen. Uns Menschen kommen solche Roboter am "menschlichsten" vor, weswegen man in diese Systeme wohl bevorzugt "menschliche" Verhaltensweisen implementieren wird.

Drei Beine

Hierfür findet man kaum Beispiele, hier ein Ansatz der Universität Mannheim:
http://www.proaut.uni-mannheim.de:8080/proaut/content/e74/e160/e197/index_ger.html
» Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und der Bau eines Laufroboters mit drei Beinen. Die besonderen Eigenschaften einer solchen Plattform ermöglichen aufgrund der dynamischen Eigenschaften Anwendungen in verschiedensten Aufgabenbereichen wie z.B. der Landminenräumung. «

Vier Beine

Ein wahrhaft interessantes Beispiel findet man hier: http://www.bdi.com/content/sec.php?section=BigDog "Big Dog" (Boston Dynamics) hat Gesamteigenschaften, die aufgrund des leistungsstarken Antriebes und der "Hundebeine" ideal für einen Einsatz im Außengelände sind. Er schafft Steigungen bis 35° und kann bereits Lasten bis ca. 25 kg tragen. Das ist beeindruckend. Hier ein neueres Video: http://www.youtube.com/watch?v=W1czBcnX1Ww

Berühmtheit erlangte der "Hund" AIBO der Fa. Sony.

Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2a/Aibo1.jpg

AIBO wird nicht mehr gebaut. Die Frage ist, was kommt nach AIBO? Hier ist die Antwort! Sie kommt von meiner alten Universität in Darmstadt, was mich besonders erfreut:

"Im Fachbereich Informatik der TU Darmstadt ist zum ersten Mal in Deutschland ein vierbeiniger autonomer Roboter als eine Standardplattform für Forschung und Ausbildung entwickelt worden. Der neue Roboter soll als Plattform die Nachfolge des "Aibo" von Sony antreten, der seit 2006 nicht mehr gebaut wird. Er hat ebenfalls eine hundeähnliche Form, ist aber etwas größer als der Aibo."

Quelle: http://idw-online.de/pages/de/news216531

"Der neue vierbeinige Roboter könnte die Standard-Forschunghardware seiner Klasse werden"
(Katrin Binner/TU Darmstadt)

Quelle: http://idw-online.de/pages/de/newsimage?id=50780&size=screen

Siehe auch: http://www.thenewrobot.com/

Fünf Beine

Ein Roboter mit 5 Beinen ist mir bisher nicht bekannt.

Sechs Beine

Ein "Insekt" besitzt sechs Beine. Damit kann man sich auf verschiedene Art fortbewegen. Wenn man die biologischen Vorbilder verstehen will, sollte man sich mit der interessanten über 400 Mio. Jahren entwickelten Bewegungssteuerung von Insekten beschäftigen. Einen ersten Einstieg findet man hier (J.-U. Schamburek - Bewegungsteuerung bei Insekten).

Ein erstes Beispiel für einen sechsbeinigen Roboter kann man z.B. hier (Tarry II und IIa, Gerhard-Mercator-Universität Duisburg) beobachten. Es gibt die schnelle Tripod-Gangart (tripod gait), bei der jeweils drei Beine V-förmig versetzt angehoben bzw. abgesenkt sind. Man kommt rasch voran, wenn man gleichzeitig drei Beine (Tripod-Gangart) nach vorne befördert. Bei der Wellen-Gangart werden von hinten nach vorne jeweils auf einer Seite die Beine sequentiell nach vorne geschoben. Dabei stehen immer fünf Beine auf. Dass man auf fünf Beinen sicherer stehen kann als auf drei Beinen ist einsichtig. Bei der Bewegung geht es also um die Optimierung zwischen Standsicherheit und Geschwindigkeit. Dazwischen liegen Tetrapod-Gangarten, bei denen sich vier Beine auf dem Boden befinden. Zusätzlich kann man den "Körper" heben/senken, rollen, schwingen. Viele Varianten sind möglich. Ein interessantes Gebiet, das man theoretisch verstehen sollte, wenn man eigene Ideen umsetzen will.

Die Laufmaschine Tarry II und IIa der Universität Duisburg, die auf Basis neuronaler Netze gesteuert wird, wird trainiert und erzeugt dann in den Netzen selbst Antworten. Ein interessanter Approach in Richtung KI.

Es gibt auch Hexapods mit kreissymmetrisch angeordneten Beinen, z.B. OSCAR.

Bei den künstlichen "Hexapoden" muss man mechanisch unterscheiden zwischen Laufmaschinen mit 2 und 3 Freiheitsgraden pro Bein. Letztere sind flexibler, besitzen aber 18 anstelle 12 Servos.

Diplomarbeiten Bundeswehr:
http://www4.etti.unibw.de/Roboter/Diplom_f/Bohrer/Bohrer.htm
http://www4.etti.unibw.de/Roboter/Diplom_f/Fimpler/DA_Fimpler.htm

Das "große" Vorbild für alle, die einen nützlichen sechsbeinigen Roboter bauen wollen, ist sicher der berühmte Schreit-Harvester aus Finnland:
http://www.jacobi22.de/index.php?section=1800

Wer ein künstliches Insekt entwerfen möchte, kann es im Selbstbau versuchen oder zur Zeitersparnis einen Bausatz einsetzen. Schauen wir uns käuflich erwerbliche Basis-Systeme an:

Roboter - Beispiel: HexCrawler von Parallax

Pro Bein werden bei dem Roboter HexCrawler, der von Parallax vertrieben wird, zwei Servos verwendet, einer für auf/ab und einer für vor/zurück. Insgesamt setzt man also 12 Servos ein.

Quelle: www.parallax.com Quelle: www.toyshop.ch

Roboter - Beispiel: Hexapod BH3 von Lynxmotion

Es geht aber noch raffinierter, indem man jedem Bein drei Freiheitsgrade verleiht wie beim Hexapod BH3 von Lynxmotion. Pro Bein werden bei diesem Roboter drei Servos verwendet, einer für hoch/runter, einer für vor/zurück und einer zum Knicken des Beins. Insgesamt setzt man also 18 Servos ein. Auf diese Weise erreicht man drei Freiheitsgrade pro Bein und damit interessante Fortbewegungsmöglichkeiten (Krabbengang).

Qielle: www.lynxmotion.com

Sieben Beine

Nichts bekannt. Wohl nicht verwunderlich?

Acht Beine

Arachnida wie Skorpione, Milben oder Spinnen sind biologische Vorbilder für achtbeinige Roboter. Signifikantes Charakteristikum sind vier mal zwei Laufbeine. Dies unterscheidet Arachnida z.B. von Insekten.

Skorpion - NASA - Uni Bremen

"Forscher am kalifornischen Ames Research Center der Nasa erproben seine Fähigkeiten ... Entworfen und gebaut hat das Gerät Frank Kirchner, Leiter der Arbeitsgruppe Robotik an der Uni Bremen. Dabei hat er vor allem der Natur auf die Finger geschaut: "Wir ließen uns von echten Skorpionen inspirieren", ... "Diese Tiere haben kein Großhirn, verfügen also nur über wenig Rechenpower. Und doch bewegen sie sich problemlos im fremden Gelände."

http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,341264,00.html

Skorpion-Roboter - Fraunhofer Institut, St. Augustin
http://www.ksta.de/html/artikel/1008771978729.shtml

Mehr als acht Beine

Räder und Beine (Hybrid)

Ein hybrider Bein-Rad-Roboter (Asguard I und II, DFKI Bremen) vereint die Vorteile von Rad und Laufen. Dieser Typ bietet Vorteile nach Katastrophen wie z.B. Erdbeben und schafft auch die Bewegung in steilem Gelände.

Asguard I und Asguard II

Quellen: http://robotik.dfki-bremen.de/uploads/pics/Asguard_3_03.JPG und http://robotik.dfki-bremen.de/typo3temp/pics/ca5d733bc2.jpg

Keine Räder und keine Beine

Richtig interesant wird es an der Stelle, wo Roboter sich ohne Beine oder Räder fort bewegen, denn damit ist man auf der Stufe "niedriger" Lebewesen angekommen. So versuchen Wissenschaftler an der Virginia Tech-Universität die Fortbewegung der Amöbe umzusetzen (siehe hier ). Dieses System verwendet die gesamte Außenhülle zur Fortbewegung. Ein interessanter Ansatz, dessen Ausgang noch völlig offen ist.

Quelle: http://www.heise.de/bilder/87986/0/0

Einen interessanter Kletter-Roboter namens "Ratnic" kann man hier bewundern: Ratnic und Ratnic V2
Unterstützt durch die Universitäten Ilmenau und Jena und das MPI Stuttgart entwickelt man einen Kletterroboter, der eine Ratte nachahmt. Edelstahl- und Aluminiumstreben in Verbindung mit Federn und Seilzügen bilden die "Wirbelsäule". Das Ganze basiert darauf, Muskeln und Sehnen sowie Bewegungen einer Ratte zu imitieren. Der Roboter wiegt 1,3 Kilogramm und klettert 0,1 m/s. Angetrieben wird der mechanische Nager von sieben Motoren. Kamera, Abstands-, Gas- und Infrarotsensoren unterstützen den "Roboter" bei der Inspektion unzugänglicher technischer Anlagen.

Einen Fischroboter hat die Bionik der TU Darmstadt entwickelt.

Quelle: http://www.allaboutsourcing.de/de/wp-content/uploads/2009/fischroboter_smoky.jpg

Nach Auswertung von Videos von Fischbewegungen werden nun verschiedene Bewegungstechniken, die man bei Fischen feststellte, mit diesem ca. 1,5 Meter langen Roboter getestet. Man erhofft sich Erkenntnisse, die im Sinne der Bionik zu verbesserten Schiffsantrieben führen. „Smoky“ besteht aus zehn gegeneinander mobilen Segmenten mit elastischer Hülle.

Das Roboter-Gehirn

Bei aller Faszination ob der vielfältigen Bewegungs- und Antriebsmechanismen kann der Roboter nur durch Programmierung eines oder mehrerer sogenanten Microcontroller zu seinem elektronischen Leben erweckt werden. Hierbei gibt es Microcontroller verschiedener Firmen. Hier zunächst einige Links zum Einlesen über die wichstigsten µC-Familien:

µC-Übersicht:
Microcontroller

Firma Atmel:
ATMEL AVR
AVR32

Firma Microchip Technology Inc.:
PICmicro

Firma Parallax:
BASIC Stamp

Für Hobbyisten empfiehlt sich momentan meines Erachtens ein µC der Firma ATMEL, da diese in diesem Bereich weit verbreitet sind.

Einstieg "Mit welchem Controllerboard fange ich an?"
Board RN-Control ( Bild )
RNFRA-Board ( Bild )

AVR
ATMEL-Vergleichstabelle

Programmieren kann man in C/C++, BASIC oder direkt in Assembler:
WinAVR
Dev-Cpp_IDE
AVR-gcc
Bascom
AVR Assembler

Motoren

Servomotoren

Servomotoren (Kurzbezeichnung: "Servos") verwendet man bei Industrierobotern und sind weit verbreitet im Modellbau (Autos, Schiffe, Fluggeräte). Servomotoren arbeiten meistens als kleine Getriebemotoren. Mittels eines an der Drehachse fixierten Potentiometers wird z. B. die aktuelle Position bestimmt. Der Vorteil von Servomotoren besteht in der Genauigkeit, Kraft (Untersetzung durch das Getriebe) und Dynamik (rasche Beschleunigung bzw. Bremsung).

Hier ein typischer Servo der Fa. Conrad:

Quelle: http://www.order.conrad.com/m/2000_2999/2200/2230/2231/223141_LB_02_FB.EPS.jpg

Gesteuert werden diese Motoren über die drei Anschlüsse: VCC, PWM (pulsweitenmoduliertes Signal), GND. Hierbei gibt das PWM-Signal die Vorgabe für die zu erreichende Position. Man arbeitet hierbei mit einer Wiederholfrequenz, die z.B. von 50 Hz bis 100 Hz variiert. Man sendet an den Motor und dessen Regelung einen Impuls, dessen zeitliche Länge (Impulsdauer) dem Sollwert der Position entspricht. Ein Impuls von 1 ms bedeutet z. B. Auslenkung ganz nach links, von 1,5 ms Mittelstellung des Servos und 2 ms Auslenkung ganz nach rechts. Diese Signale werden von der Regelung, die manchmal direkt in den Servomotor integriert ist, ausgewertet und in den Antrieb des Motors umgewandelt.

Ein Servomotor ist also folglich eine Baugruppe bestehend aus einem Gleichstrommotor, einem Lagesensor auf der Welle (z. B. Potentiometer) und einem Steuerungs-IC. Normalerweise werden Servos nur in einem begrenzten Winkel eingesetzt. Der Einstellwinkel wird, wie oben bereits ausgeführt, durch die Pulsdauer festgelegt. Man kann diesen Begrenzungsmechanismus aus Kostengründen umgehen. Dies bezeichnet man als "Servo hacken". Siehe z. B. hier.

Typisch für die Umwandlung eines PWM-Signals in den Motorantrieb ist die sogenannte H-Brücke, fachmännisch auch Vierquadrantensteller genannt.
Hier konkret am Beispiel des ASURO:

Quelle: http://www.asurowiki.de/pmwiki/pmwiki.php/Main/Motorbruecke
Je nach Durchschalten der Transistoren mittels der beiden Signale PD4 und PD5 (siehe Bild) sowie durch Anwendung des variablen PWM-Signals PB1 kann man den Motor geschwindigkeitsgesteuert vorwärts oder rückwärts drehen, schnell abbremsen (Gegenstrom) oder frei laufen (kein Strom fließt durch den Motor) lassen.
Weitere Links zur H-Brücke:
Elektromechanische Lenkung

Schrittmotoren

Schrittmotoren sind deutlich komplexer als Servomotoren, haben sowohl Vor- als auch Nachteile gegenüber diesen. Schrittmotoren können theoretisch ohne Sensoren zur Rückmeldung der Position betrieben werden. Belastet man einen Schrittmotor stark bzw. wird er rasch beschleunigt bzw. gebremst, kommt es ggf. zum Schlupf zwischen Feld und Rotor. Hierdurch werden Schritte übersprungen. Diese Positionierungsfehler unter Belastung addieren sich und ergeben eine ungenaue Positionierung. Dies behebt man bei Rotationsbewegungen durch einen Sensor, mit dessen Signal man die Position des Motors abgleichen kann.

Typische Anwendungsbereiche sind Videorecorder, Matrixdrucker oder der Antrieb von RW-Köpfen in Disketten- oder CD-/DVD-Laufwerken. Man setzt Schrittmotoren auch im Roboterbau ein.

Controller-Boards

Mit einer leeren Lochrasterplatine und einem Controller zu beginnen, ist sicher nicht jedermanns Sache, obwohl dies nicht der schlechteste Weg ist, den Umgang mit µC zu erlernen.
Ein großer Vorteil für Einsteiger sind fertig bestückte oder gar zusammengebaute Controller-Boards, vor allem dann, wenn eine ausreichend große Community den Einstieg durch Artikel, illustrative Abbildungen, Foren, Chats und Hinweise auf preisgünstige und zuverlässige Einkaufsquellen begleitet.

Hier findet man z.B. auch für den schmalen Geldbeutel gut durchdachte Boards. Ein typisches Einstiegsmodell ist das RN-Control. Dieses Board wurde in der Community www.roboternetz.de entwickelt, vielfältig eingesetzt und folglich unterstützt. Der mit 8 oder 16 MHz getaktete µC der Serie AVR Mega 32 auf RN-Control kann in Assembler, C oder Basic (Bascom) programmiert werden. Wie man auf diesem Bild erkennt, hat das Board eine RS 232-Schnittstelle (seriell) für die Datenübermittlung mit einem PC, einen I2C-Bus und einen ISP-Eingang (parallel) für die Programmierung.
Eine typische Verschaltung sieht man z.B. hier.

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Videos:

Bücher:

ISBN-10: 3836955083
ISBN-13: 9783836955089
Autor: Roger Bridgman
Verlag: Gerstenberg (Gebrüder)
Jahr: 2009 (Nachdruck); Erstauflage 2004 (englisch)

ISBN-10: 3772341098
ISBN-13: 9783772341090
Autor: Ulli Sommer
Verlag: Franzis
Jahr: 2008

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