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Sensoren und Aktoren von autonomen RoboternEine Analyse für die Ausbildung
Schriftliche Hausarbeit, im Rahmender ersten Staatsprüfung,
für das Lehramt der Sekundarstufe I
vonSonja Pieper
Hasbergen, 2007
GutachterProf. Dr. Christian Hein
Institut für Technik und ihre Didaktik
Inhaltsverzeichnis 1
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis 1
1 Einleitung 3
1.1 Bedeutung und Einordnung der Arbeit 3
1.2 Zielstellung 4
1.3 Ergebnisform 4
2 Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 6
2.1 Sensoren 7
2.1.1 Externe Sensoren 10
2.1.1.1 Taktile Sensoren 10
2.1.1.2 Näherungssensoren 132.1.1.3 Abstandssensoren 172.1.1.4 Positionssensoren 222.1.1.5 Visuelle Sensoren 26
2.1.2 Interne Sensoren 27
2.1.2.1 Positionssensoren 272.1.2.2 Geschwindigkeitssensoren 342.1.2.3 Beschleunigungssensoren 342.1.2.4 Intertial Navigation System (INS) 35
2.2 Aktoren 36
2.2.1 Bewegungsformen 36
Inhaltsverzeichnis 2
2.2.2 Antriebsarten vonRadgetriebenen Robotern 38
2.2.3 Beispiele für Roboter mit Rädern 44
2.2.4 Vor- und Nachteile von
fahrenden Robotern 46
2.2.5 Beispiele für Roboter mit Kettenantrieben 47
2.2.6 Beispiele für Laufmaschinen 48
2.2.7 Vor- und Nachteile von Laufmaschinen 53
2.2.8 Greifer 54
2.2.9 Finray-Prinzip 56
3 Fazit 59
4 Literaturverzeichnis 60
4.1 Bücher 60
4.2 Internet 61
5 Abbildungsverzeichnis 67
6 Erklärung 71
1. Einleitung 3
1. Einleitung
1.1 Bedeutung und Einordnung der Arbeit
In der heutigen Zeit hat die Technik einen sehr hohen Stellenwert
erreicht und ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Aus
dem Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik wird das
Internet zum Beispiel für Bankgeschäfte, Einkäufe oder zur
Datenkommunikation benutzt. In der Medizin wird die Technik
beispielsweise in der Diagnose (Computer-Tomogaraphie), Therapie
(Herzschrittmacher), Rehabilitation (Laufsimulator) und Pflege
(Liftersysteme) eingesetzt. Auch für die Zukunft werden fähige
Menschen, wie Techniker und Ingenieure benötigt, die für die
Weiterentwicklung der Technik sorgen. Da schon im Kindesalter das
Interesse an Technik beginnt, wird in den Schulen versucht den
Schülern diese Materie näher zu bringen. Fächer, wie Physik,
Informatik, etc. alleine können den Schülern kein allgemeines
technisches Wissen vermitteln; sie können dieses nur ergänzen.
Damit an den Schulen eine allgemeine technische Ausbildung
erfolgen kann, hat man das Fach Technik ins Leben gerufen. Im
Unterricht soll ein Einblick in technische Berufe (ihre Arbeitsfelder
und ihre Tätigkeiten), Auswirkungen und Einflüsse von Technik in
allen Lebensbereichen und technische Lösungsfindung von
Umweltproblemen vermittelt werden. In letzter Zeit hat auch die
Robotik in den Schulen immer mehr an Bedeutung gefunden. Einige
Schüler lernen zum Beispiel durch ein Berufspraktikum oder durch
eine Betriebsbesichtung den Einsatz von Roboter in der Berufswelt
kennen. Vor allem in der industriellen Fertigung werden Roboter an
Produktionsstraßen für schwierige, kontinuierliche und präzise
Arbeiten verwendet. In den kommenden Jahren wird dieses Gebiet
der Technik nicht nur für Schüler noch mehr an Bedeutung finden.
Sie werden durch den Gebrauch von autonomen Robotersystemen
mit der Robotik auch in ihrem Alltag konfrontiert. Um an Schulen
auch aus diesem Bereich Wissen vermitteln und vertiefen zu können,
1. Einleitung 4
und aber Entwicklungsstand und Perspektiven zu erläutern, sollte
den Studenten in der Lehrerausbildung ein umfangreicher Einblick in
die Robotik geboten werden.
Abbildung 1: Einsatzmöglichkeit für den fächerübergreifendenUnterricht in der Schule1
1.2 Zielstellung
In näherer Zukunft soll an der Westfälischen-Wilhelms-Universität
Münster im Institut für Technik und ihre Didaktik für die
Lehrerausbildung im Fach Technik eine „Robotik“ Vorlesung
angeboten werden. In dieser Veranstaltung soll den Studenten ein
Überblick in den derzeitigen Entwicklungsstand im Bereich der
Robotik gegeben werden. Diese Arbeit behandelt zu diesem Zweck
das Gebiet der Sensorik und Aktorik am Beispiel der autonomen
Roboter.
1.3 Ergebnisform
Das Ergebnis ist eine Informations- und Materialsammlung, die für
die Gestaltung der neuen „Robotik“ Vorlesung verwendet werden
soll. Die hier vorliegende Examensarbeit ist die dazugehörige
1 http://www-md.e-technik.uni-rostock.de/veroeff/KrumpholzRobotikMathNatTageRostock.pdf
1. Einleitung 5
Ausarbeitung. Diese Arbeit gibt Information über die verschiedenen
Arten von Sensoren, ihre Funktionsweisen und Einsatzbereiche,
sowie Einblick in den Bereich der Aktoren, die für autonome Roboter
verwendet werden.
Die Recherche erfolgt fast ausschließlich im Internet, da es nur
wenig Bücher über den aktuellen Forschungsstand auf dem Markt
gibt.
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 6
2. Sensoren und Aktoren an autonomenRobotern
Die bisher bekanntesten Roboter, die in unserem alltäglichen Leben
eingesetzt werden, sind wohl die Industrieroboter. Sie übernehmen
spezielle Aufgaben, bei denen es beispielsweise auf Akkuratheit
ankommt oder bei denen große Gewichte bewegt werden müssen,
was ein Mensch in dieser Form nicht leisten kann. Diese Roboter
werden extra für einen bestimmten Arbeitsschritt hergestellt und
eingerichtet, da sich Standort und Arbeitsabläufe normalerweise
nicht verändern. Es gibt noch weitere Robotersysteme, die in der
Zukunft für den Menschen eine große Rolle spielen werden, wie die
autonomen Roboter.
Definition: Ein autonomer mobiler Roboter ist eine Maschine,
die sich in einer natürlichen Umgebung
aus eigener Kraft und ohne Hilfestellung von
außen bewegen und dabei ein ihr gestelltes
Ziel erreichen kann. [...] Dabei erkennt sie die
Umwelt, sofern dies notwendig ist, über
eigene Sensoren. 2
„Diese Art der Robotik soll Anwendung finden:
- im Service , der aus Platzgründen vom Menschen nicht erfüllt
werden kann (z.B. Abwasserkanal, Lüftungskanal,
Doppelboden),
- im Service, der vom Menschen nur unter enormen
Zusatzaufwand erfüllbar ist (z.B. Kletteraufgaben,
Fassadenüberhänge),
- im Service, der spezielle Ausrüstung erfordert (z.B.
Unterwasser, Weltraum),
2 http://www.tfj-berlin.de~msr/pdf-files/Robotertechnik/Roboter%20Technik%20Vorlesung%20Teil%2005.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 7
- im Service , der in gefährlicher Umgebung stattfinden soll (z.B.
atomar, chemisch, biologisch kontaminierte Räume) oder (z.B.
Sprengstoffhandhabung, Demining3),
- in der allgemeinen Servicerobotik (z.B. Haushalt, Transport,
Pflege),
- in Lehr- und Lernumgebungen (z.B. Lego Mindstorms,
RoboCup) 4,
Wichtige Komponenten, die ein Roboter dieser Form benötigt, sind
Sensoren und Aktoren. Sensoren und Aktoren werden häufig in
extern und intern eingeteilt. Interne Sensoren überwachen den
inneren Zustand eines Roboters und externe sammeln Informationen
über die Roboterumgebung. Interne Aktoren verändern nur seine
Stellung und externe (zum Teil auch Manipulatoren genannt)
manipulieren Gegenstände in der Umgebung des Roboters. In der
Aktorik kann man keine genaue Grenze zwischen den internen und
externen ziehen, wie in der Sensorik, da Manipulatoren teilweise
auch interne Aktoren sein können.
2.1 Sensoren
Definition: Ein Sensor (lateinisch: Sensus = der Sinn) ist ein
mechanisch-elektronisches Bauteil, das eine
gemessene physikalische oder chemische Größe (z.B.
Temperatur, Druck oder Entfernung) in ein geeignetes
elektrisches Signal umwandelt.
Die technischen Sensoren sind vergleichbar mit den menschlichen
Sinnensorganen.
3Demining: Minenräumung
4 http://atkoll1.informatik.tu-muenchen.de:8080/tum6/lectures/courses/ss04/robotik/documents/Documents/1089189231.72/robotik2004_06.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 8
Abbildung 2: Die menschlichen Sinne5
Beispiele:
Ohr (Gehörsinn) ⇒ Akustische Sensoren
Auge (Gesichtssinn) ⇒ Optische Sensoren
Haut (Tastsinn) ⇒ Taktile Sensoren
Abbildung 3: Aufnahme, Bewusstmachung und Abgabe vonInformationen6
Die Sensoren sind die Sinnesorgane des Roboters. Für einen
autonomen Roboter werden häufig unterschiedliche benötigt, um
seine Umwelt und seinen inneren Zustände zu überwachen. In der
Robotik unterscheidet man zwischen externen und internen
5 http://www.g-netz.de/Der_Mensch/sinnesorgane/index.shtml
6 http://agrosy.informatik.uni-kl.de/fileadmin/vorlesung/biobots03/6_sensoren.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 9
Sensoren. Andere Klassifizierungen sind z.B. in aktive und passive
unterteilt.
Abbildung 4: Klassifikation von Sensoren in der Robotik7
7 eigene Grafik nach:http://www.mzh.uni-hannover.de/IFR/PDF/RobotikII_Teil3_Folien.pdf
InterneSensoren
Beschleunigs-sensoren
IntertialNavigation
System (INS)
Geschwindig-keitssensoren
Positions-sensoren
Sensoren
ExterneSensoren
TaktileSensoren
Nicht taktileSensoren
GleitendeSensoren
TastendeSensoren
Kraft-Moment-Sensoren
Positions-sensoren
VisuelleSensoren
Näherungs-sensoren
Abstands-sensoren
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 10
2.1.1 Externe Sensoren
Abbildung 5: Übersicht „Externe Sensoren“8
Zu diesem Sensortyp gehören Sensoren, die Informationen über die
Umgebung des Roboters sammeln (Entfernung, Position,
Hindernisse, Bilder von der Umgebung,...).
2.1.1.1 Taktile Sensoren
Die taktilen Sensoren sind dem menschlichem Tastsinn
nachempfunden. Sie dienen zur Aufnahme und Erkennung von
Informationen durch den mechanischen Kontakt bestimmter
Elemente. Taktile Sensoren werden zum größten Teil im Bereich des
Robotergreifers eingesetzt. Sie dienen zum Beispiel zur
Positionsbestimmung, Objekterkennung oder zur Ermittlung der
Oberflächenbeschaffenheit. Mit Hilfe der taktilen Sensoren kann die
Greifkraft und die Verteilung der Kraft bestimmt werden. Diese
Kraftregelung wird verwendet, damit ein Objekt sicher gehalten bzw.
8 eigene Grafik nach:http://wwwiaim.ira.uka.de/Teaching/VorlesungRobotikIII/3_ExterneSensoren/sld001.htm
ExterneSensoren
TaktileSensoren
TaktiletastendeSensoren
TaktilegleitendeSensoren
Kraft-Momenten-Sensoren
Abstands-sensoren
OptischeSensoren
Radar-sensoren
AkustischeSensoren
VisuelleSensoren
Photodioden
CCD
3D-Sensoren
Näherungs-Sensoren
InduktiveSensoren
KapazitiveSensoren
OptischeSensoren
AkustischeSensoren
Positions-sensoren
GPS
DifferentialGPS
Natürliche/künstliche
Landmarken
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 11
dieses nicht beschädigen wird. Zu der Gruppe der Taktilen gehören
die tastenden, gleitenden und die Kraft-Moment-Sensoren.
Taktil tastende Sensoren:
Taktil tastende Sensoren können zur Sicherstellung einer stabilen
Greifposition oder zur Wahrnehmung des Verrutschen eines
Gegenstandes eingesetzt werden.
- Dehnungsmessstreifen
Dehnungsmessstreifen (DMS) sind dünne Leiterbahnen, die
auf einem Trägermaterial aufgebracht sind. Wird auf diese
Messstreifen Kraft ausgeübt, verformen sie sich. Wodurch sich
zusätzlich der Widerstand verändert. Mit diesem
Messverfahren können beispielsweise Informationen über
Kraft und Druck gewonnen werden.
Der Folien-Dehnungsmessstreifen ist der häufigste
verwendete DMS. Er besteht aus einem metallischen
Messgitter, das durch ein galvanisches Verfahren auf eine
Trägerfolie aufgebracht wird. Dieses Gitter ist durch eine
dünne Kunststoffschicht geschützt.
Abbildung 6: Dehnungsmessstreifen9
9 www.ipvs.uni-stuttgart.de/.../vorlesungen/WS0607/Robotik_I_material/start/Robotik_I_WS0506_3Sensoren.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 12
- Piezoelektrische Sensoren
Piezoelektronische Sensoren werden auch zur Messung von
Kraft und Druck eingesetzt. Vorteile dieser Sensoren sind zum
Beispiel die Unempfindlichkeit gegenüber hohen
Temperaturen (<1000°C) sowie die nicht benötigte äußere
Spannungsquelle. Wird ein äußerer Druck auf diesen Sensor
ausgeübt, verschieben sich die Ionen im Kristallgitter. Die
Ladungsverschiebung bewirkt an der Oberfläche einen
Ladungsunterschied, der an Elektroden messbar ist. In
Abhängigkeit von dem Ladungsunterschied, spricht man vom
Longitudinal- oder Transversaleffekt.
Abbildung 7: Piezoelektrischer Effekt10
Taktil gleitende Sensoren:
Taktil gleitende Sensoren geben Informationen über
Oberflächenbeschaffenheit und geometrischen Strukturen eines
Objektes. Der „Stress Rate Sensor“ kann für diesen Zweck an einem
Roboterfinger eingesetzt werde.
10 http://wwwiaim.ira.uka.de/Teaching/VorlesungRobotikIII/Pdf-Files/3SW_ExterneSensoren.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 13
- „Stress Rate Sensor“ für Roboterfinger
Piezoelektrische Polymerstreifen werden mit einem Gummi
verschmolzen, dass als Haut für die Finger eines Roboters
benutzt wird. Durch das Gleiten mit dem Finger über die
Oberfläche werden die Veränderungen der Druckbelastungen
gemessen. Somit können Informationen über die
Nachgiebigkeit, Betrag und Richtung der Kraft, sowie Reibung
aufgenommen werden.
Kraft-Moment-Sensoren:
Kraft-Moment- Sensoren sind meistens feste Konstruktionen, die
kleine Verformungen zulassen. Diese Verformungen werden mit
einem Dehnungsmessstreifen aufgenommen. Ein Kraft-Moment-
Sensor kontrolliert zum Beispiel Bewegungen, die fest
vorprogrammiert sind. Wird ein bestimmter Wert der
aufzubringenden Kraft überschritten, sorgt dieser Sensor für den
Abbruch des Vorganges.
2.1.1.2 Näherungssensoren
Näherungssensoren sind der Klasse der nichttaktilen Sensoren
zugeordnet und werden zur Ortung von Objekten in einem
bestimmten Abstand eingesetzt. Durch die Unempfindlichkeit
gegenüber Umwelteinflüssen und den Nichtbesitz von
Verschleißteilen, haben sie eine längere Haltbarkeit wie andere
Sensoren. Und die zu ortenden Objekte erleiden durch das nicht
Berühren des Sensors keinen Schaden. Ein Näherungssensor wird
in dem Bereich eingesetzt, wo zum Beispiel die Lebensdauer von
Bedeutung ist.
Es gibt verschiedene Typen des Näherungssensors: induktiv,
kapazitiv, optisch und akustisch.
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 14
Induktive Näherungssensoren:
Ein induktiver Näherungssensor reagiert auf näher kommende
metallische Objekte ohne sie zu berühren. Sie geben Information
über Position, Füllstand oder Bewegung.
Dieser Sensor besteht im wesentlichen aus einer Spule und einem
Ferritkern. Durch die Spule fließt Wechselstrom, der von einem
Oszillator produziert wird. Es entsteht ein elektromagnetisches Feld,
das so gerichtet ist, dass es nur an einer Seite des Kerns austreten
kann. Diese Stelle wird als aktive Fläche bezeichnet. Dringt ein
metallischer Gegenstand in dieses Magnetfeld ein, verformt es sich.
Es entstehen auf Grund des Induktionsgesetzes Wirbelströme,
wodurch dem Schwingkreis die Energie entzogen wird und die
Schwingungsgröße sich verringert.
Diese Sensoren arbeiten sehr beständig und besitzen durch ihren
Aufbau einen Schutz gegen natürliche Umwelteinflüsse.
Abbildung 8: Aufbau eines induktiven Näherungssensors11
11 http://wwwiaim.ira.uka.de/Teaching/VorlesungRobotikIII/Pdf-Files/3SW_ExterneSensoren.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 15
Abbildung 9: Arbeitsprinzip eines induktivenNäherungssensors12
Kapazitiver Näherungssensoren:
Ein kapazitiver Näherungssensor unterscheidet zwischen näher
kommenden leitenden und nicht leitenden Objekten ohne sie zu
berühren.
Dieser Sensor besitzt, wie auch der induktive Näherungssensor,
einen Oszillator, ein RC-Schwingkreis und eine Sensorelektrode.
Durch den Schwingkreis entsteht ein elektrisches Feld. Nähert sich
der Elektrode ein Gegenstand, entsteht eine Kapazitätsveränderung
und der Oszillator fängt an zu schwingen.
Der Sensor hat die Vorteile, dass er in großen Abständen reagiert
und in gefährlichen Umgebungen (z.B. radioaktive Umgebungen)
eingesetzt werden kann.
Optische Näherungssensoren:
Ein optischer Näherungssensor arbeitet bei großen Entfernungen
nach dem Schranken- und Reflexionsprinizip.
Er besteht aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger. Der
Sender schickt einen Lichtstrahl an den Empfänger. Wird dieser
Strahl unterbrochen, löst er ein Signal aus.
12 http://www.blt.bmlf.gv.at/vero/veranst/026/3_Kohoutek_ifm_Sensoren-1.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 16
Abbildung 10: Lichtschranke13
Akustische Näherungssensoren:
Ein akustischer Näherungssensor ist geeignet für mittlere und große
Entfernungen und arbeitet nach dem Prinzip des Ultraschalls.
Hierbei werden Schallsignale gesendet, die anschließend vom
Objekt reflektiert werden. Die Entfernung dieses Objektes wird durch
die Messung der Zeit zwischen dem Absenden des Signals bis zum
Empfang berechnet.
13 http://wwwiaim.ira.uka.de/Teaching/VorlesungRobotikIII/Pdf-Files/3SW_ExterneSensoren.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 17
Abbildung 11: Ultraschallprinzip14
2.1.1.3 Abstandssensoren
Abstandssensoren messen die Entfernung zwischen dem Sensor
und einem Gegenstand. Sie dienen dem Roboter zur Orientierung in
seiner Umgebung und zur Kollisionsvermeidung. Dieser Sensortyp
hat gegenüber den Näherungssensoren den Vorteil, dass er eine
größere Reichweite erfassen und die Geometrie von Objekten
erkennen kann.
Man unterscheidet zwischen optischen und akustischen
Abstandssensoren sowie Radar.
Optische Abstandssensoren:
Der optische Abstandssensor ist eine Verbesserung vom optischen
Näherungssensor. Er erzeugt elektromagnetische Wellen im
14 http://wwwiaim.ira.uka.de/Teaching/VorlesungRobotikIII/Pdf-Files/3SW_ExterneSensoren.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 18
sichtbaren Bereich. Ein Vorteil ist die Stabilität gegenüber
Fremdeinwirkungen. Es gibt verschiedene Formen:
- Laufzeitverfahren
Das Laufzeitverfahren bestimmt den Abstand von zwei
Gegenständen zueinander.
Es geht von einem Sender ein Impuls in Richtung des
Objektes aus. Dieses reflektiert das Signal und sendet es zum
Empfänger zurück. Der Zeitraum vom Sender bis zum
Empfänger wird gemessen. Mit Hilfe des Laufzeitverfahrens
können, gegenüber z.B. der Triangulation, Informationen über
größere Entfernungen gewonnen werden
- Triangulation15
Die Triangulation wird eingesetzt, um räumliche Objekte zu
erkennen.
Hierbei wird ein Laserstrahl auf die Oberfläche eines
Gegenstandes projektiert, diese reflektiert das Licht und leitet
dieses weiter an eine Kamera. Mit dem bekannten Abstand
von Sender und Empfänger kann die Entfernung zum Objekt
mit der in Abbildung 6 angegebenen Triangulationsbeziehung
berechnet werden.
15 Triangulation: dreieckig machen, von lat. Triangulum, Dreieck(http://de.wikipedia.org/wiki/Triangulation)
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 19
Abbildung 12: Ermitter-Objekt-Detektor16
- Stereoskopie17
Stereoskopie wird auch als passive Triangulation bezeichnet,
da es eine Triangulation bei Umgebungslicht ist. Sie wird zur
Hinderniserkennung und räumlichen Orientierung verwendet.
Mit dieser Methode werden 3D-Bilder erzeugt.
Bei der Stereoskopie werden, wie zwei nebeneinander
liegende menschliche Augen, Kameras im Abstand mit
unterschiedlichem Blickwinkel montiert, wodurch
Informationen über die Tiefe gegeben werden.
16 http://wwwiaim.ira.uka.de/Teaching/VorlesungRobotikIII/Pdf-Files/3SW_ExterneSensoren.pdf
17 Stereoskopie: vom griechischen: stereo = räumlich - skopein = sehen(http://de.wikipedia.org/wiki/Stereoskopie)
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 20
Abbildung 13: Berechnung der Entfernung x vom Gegenstand Gzur Objektivebenen18
Akustische Abstandsensoren:
Ein akustischen Abstandssensor arbeitet im Ultraschallbereich. Er
dient zur Hinderniserkennung und zur Entfernungsmessung. Es wird
das Prinzip des Echos verwendet. Hierbei sendet das Gerät einen
kurzen Ton aus, der von einem Körper reflektiert wird. Diese
Sensoren können mit denen eines Delphines oder einer Fledermaus
verglichen werden.
Akustische Abstandssensoren haben den Vorteil, das sie sehr
günstig sind und sich Platz sparend in Ringform anordnen lassen.
Aber bei dem Gebrauch von akustischen Abstandssensoren kann es
zu Ungenauigkeiten kommen. Zum Beispiel bei der Verwendung von
18http://www.iccas.de/ressource/lectures/CASMedizin/VL10_Navigation_Registrierung.pdf
Strahlensatz:p
fabbfax ⋅
=−⋅
=21
a Stereoskopische Basis
(Abstandsvektor der Kameras)
bbp 21 −= Parallaxe/Disparität
(Differenz der Entfernungen
in der Bildebene aufgrund
verschiedener Betrachtungswinkel)
f Brennweite der Kameraobjektive
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 21
mehreren Sensoren dieser Art. Wenn die einzelnen Sensoren
Signale nicht verschlüsselt aussenden, kann es vorkommen, dass
ein reflektiertes Signal von einem anderen Sensor aufgenommen
wird. Das heißt, es würden falsche Entfernungen gemessen. Diese
Überlagerung von Reflexionen wird „Crosstalk“ genannt.
Ein weiteres Problem können die so genannten Artefakte, zum
Beispiel RCD („Region konstanter Distanz“), sein. Dabei wird ein
gesendetes Signal eines Sensors von einem anderen Sensor als
Echo angesehen und ausgewertet. Das würde bedeuten, es besteht
an dieser Stelle eine konstante Distanz, da der Abstand zum
angeblichen Hindernis immer gleich bleibt.
Radar Abstandssensoren:
Ein Radarsensor gibt Information zum Beispiel über Entfernung und
genaue Position eines Objektes. Radar ist eine Abkürzung für „Radio
Detection and Ranging“ und bedeutet in etwa Funkortung und
Entfernungsbestimmung.
Der Sensor bündelt elektromagnetische Wellen und sendet diese
aus. An einem Objekt, das sich im Bereich der Strahlung befindet,
reflektiert das Signal. Der Radar nimmt die zurück gesendeten
Wellen auf und wertet die gewonnenen Informationen aus.
Abbildung 14: Das Prinzip des Radars19
19 http://www.msw.ch/pdf-files/radar.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 22
2.1.1.4 Positionssensoren
GPS (Global Positioning System)
Das Global Positioning System (GPS) wird zur Positionsbestimmung
und zur Navigation verwendet. Es handelt sich um ein System, das
aus mindestens 24 Satelliten (zur Zeit sind es 30 Satelliten) besteht,
die sich in einer Höhe von ca. 20.183km befinden. Jeder einzelne
umläuft zweimal am Tag die Erde. Die Satellitenbahnen sind in sechs
Ebenen eingeteilt, auf jeder befinden sich wenigstens vier Satelliten.
Abbildung 15: Satellitenbahnen20
Jede der Ebenen hat eine Neigung von 55° gegenüber dem Äquator
und ist 60° versetzt in der Äquatorebenen.
20 http://www.toralf-schumann.de/html/gps_prz.html
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 23
Abbildung 16: Inklination (Neigung) der Umlaufbahnen21
Diese Form der Ebenen und die Anordnung der Satelliten wurde
gemacht, damit mindestens von vier Satelliten ein Signal empfangen
werden kann. Der genaue Standort, zum Beispiel eines Roboters,
wird mit Hilfe der Triangulation berechnet, da die Positionen von
wenigstens drei Satelliten bekannt sind. Die zu ermittelnde Position
ist jedoch nur eine zweidimensionale Position. Das heißt, die zu
ortende Stelle muss auf der Erdoberfläche sein. Um eine
dreidimensionale Position bestimmen zu können, wird der vierte
Satellit benötigt. Für diese Berechnung wird der Erdmittelpunkt als
vierter Satellit verwendet. Als Entfernung zu diesem Satelliten wird
die Entfernung vom Erdmittelpunkt zur Erdoberfläche (6360km)
benutzt. Der wirkliche Standort wird aus den vier ermittelten
Pseudoentfernungen berechnet. Ein Satellit hat eine Atomuhr an
Bord und der GPS-Empfänger eine herkömmliche Quarzuhr. Da aus
diesem Grund Zeitunterschiede entstehen können, nennt man die
Entfernungen Pseudoentfernungen. Bis zu dem Zeitpunkt, wo die
Uhren synchron sind. Der Nachteil an dieser Bestimmungsart ist,
dass der Empfänger immer der Annahme ist, dass der zu ortende
Standort sich auf der Erdoberfläche befindet. Das bedeutet, der
Standort darf sich zum Beispiel nicht auf einem Berg befinden, denn
dann sind die Messergebnisse sehr ungenau.
21 http://www.kowoma.de/gps/Umlaufbahnen.htm
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 24
Abbildung 17: Distanzmessung beim GPS22
Differential GPS
Da ein einfaches GPS`s ungenau und für Störungen anfällig ist,
wurde das Differential GPS (DGPS) entwickelt. Bei dem DGPS wird
ein zweiter Empfänger eingesetzt. Der zweite Empfänger hat einen
festen Standort, der genau vermessen ist. Die von dieser Station
empfangenen Positionsinformationen werden mit den feststehenden
gemessenen Daten verglichen und zu einem korrigierten Wert
umgewandelt. Dieser Wert wird im Anschluss an die mobilen
Empfänger weitergegeben.
22 http://www.toralf-schumann.de/html/gps_prz.html
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 25
Abbildung 18: Differential GPS (DGPS)23
Natürliche/künstliche Landmarken
Landmarken beschreiben die charakteristischen Züge einer
Umgebung. Sie dienen zur leichteren Navigation in einem
bestimmten Bereich. Landmarken sind von verschiedenen
Standorten sichtbar und bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen zu
erkennen. Ein Rasenmäher-Roboter benötigt beispielsweise
Landmarken, um in einem bestimmten Gebiet den Rasen zu mähen.
Dieses Gebiet wird mit Hilfe einer Induktionsschleife abgesteckt.
Es gibt zwei Gruppen, die natürliche und die künstlichen
Landmarken.
- natürliche Landmarken
Unter dem Begriff „natürlich“ werden hier keine Naturprodukte
verstanden, wie Bäume oder Steine. Sondern Produkte, die
nicht extra für die Bestimmung der Positionen errichtet
wurden. Zu den natürlichen Landmarken gehören unter
anderem auch Wände und Türen. Vorteil hierbei ist, dass
23 http://www.environmental-studies.de/Teilflachenbewirtschaftung/GPS_D/a_PR_2.gif
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 26
keine zusätzlichen Dinge installiert werden müssen. Der
Aufwand zur Bearbeitung von den Erkennungsmerkmalen ist
sehr hoch. Aus diesem Grund wird dieses Verfahren
größtenteils im Innenbereich angewendet, wo die Umgebung
eine einfachere Struktur besitzt.
- künstliche Landmarken
Die künstlichen Landmarken werden vorsätzlich zur
Bestimmung von Positionen aufgebaut. Diese Methode wird
bevorzugt genutzt, da die genauen Standorte bekannt sind
und ohne große Rechenaufwände, die Positionen lokalisiert
werden können. Nachteil hierbei sind die zusätzlich
auftretenden Kosten. Da nicht auf die natürlichen
Begebenheiten zurückgegriffen werden kann, müssen extra
Ausgaben für Bauten, Wartungen, etc. ausgegeben werden.
2.1.1.5 Visuelle Sensoren
Die visuellen Sensoren geben viele Informationen über die
Strukturierung der Umgebung. Sie arbeiten Berührungslos und mit
hoher Messgenauigkeit. Typische Vertreter sind Photodioden, CCD-
Wandler und die 3D-Sensoren.
Photodioden
Es werden positionsempfindliche Photodioden verwendet.
Positionsempfindliche Dioden stellen fest, mit welche Intensität und
an welchem Ort das Licht auftrifft. Mit Hilfe dieser Eigenschaft und
einer Laser-Triangulation kann ein gesuchter Abstand bestimmt
werden.
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 27
2.1.2 Interne Sensoren
Abbildung 19: Übersicht „Interne Sensoren“24
Zu diesem Sensortyp gehören Sensoren, die den inneren Zustand
eines Roboters überwachen. Z.B. die Position, die Geschwindigkeit
und die Orientierung.
2.1.2.1 Positionssensoren
Ein Positionssensor gibt Information über die Position eines
Gelenkes oder über die entsprechende Position des Roboters.
Positionssensoren sind beispielsweise Potentiometer, optische
Codierer, Differentialtransformatoren, magnetisch-induktive Geber
oder Resolver.
24 eigen Grafik nach:http://wwwiaim.ira.uka.de/Teaching/VorlesungRobotikIII/2_InterneSensoren/sld001.htm
InterneSensoren
Positions-sensoren
Potentiometer
OptischerEncoder
2
Differential-transformator
Magnetisch-induktive Geber
Geschwindig-keitssensoren
Tachogenerator
OptischerCodierer
Resolver
InertialNavigation
System (INS)
Gyroskop
Geomagnet-ische Sensoren
Beschleuni-gungssensoren
SI-Sensor
Piezo-elektrischer
Sensor
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 28
Potentiometer
Ein Potentiometer ist ein einstellbarer Spannungsteiler, der in diesem
Fall zur Messung von Winkeln und Wegen dienen soll. Aufgrund der
Digitalisierung werden viele Potentiometer durch einen
Inkrementalgeber (vgl. inkrementeller Encoder) ersetzt.
Optischer Encoder
Ein optischer Encoder, auch Radencoder genannt, wird in der
Robotik beispielsweise zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines
Roboters verwendet.
Hierbei ist ein Lichtstrahl auf einen Fotodetektor25 gerichtet. Auf
einem rotierenden Rad, das sich vor dem Detektor befindet, ist ein
verschlüsseltes Muster abgebildet. Der ausgerichtete Lichtstrahl wird
durch diesen Code in regelmäßigen Abständen unterbrochen. Der
Encoder beobachtet diese Markierungen und wertet die, durch die
Unterbrechungen entstandenen, Impulse aus. Um die
Geschwindigkeit des Roboters zu bestimmen, zählt er die
Umdrehungszahlen der Scheibe.
Es gibt zwei Formen des Radencoders: inkrementell und absolute.
Abbildung 20: Modell Radencoder26
25 Fotodetektor, Photodetektor, Bauelement der Optoelektronik, das auftreffendessichtbares Licht oder elektromagnetische Strahlung angrenzenderWellenlängenbereiche in elektrische Signale umwandelt(http://lexikon.meyers.de/meyers/Fotodetektor)
26 http://www2.informatik.hu-berlin.de/~gestewit/kr-skript.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 29
- Inkrementeller Encoder
Hierbei ist die Kodierung in regelmäßigen Abschnitten
eingeteilt und bei jeder Umdrehung gibt es eine
festgelegte Anzahl von Impulsen. Diese Anzahl ist
abhängig von der Einteilung der verwendeten
Codescheibe.
Abbildung 21: Inkrementelle Kodierung27
Es gibt drei Arten von dem inkrementellen Encoder:
- Einkanal-Drehimpulsgeber
Mit einem Einkanal-Drehimpulsgeber kann ein
Winkel bestimmt werden. Seine Drehrichtung ist
nicht zuerkennen.
- Zweikanal-Drehimpulsgeber
Mit dem Zweikanal-Drehimpulsgeber ist es
möglich einen Winkel und eine Richtung zu
ermitteln. Im Gegensatz zu dem Einkanal-
Drehimpulsgeber kann die Richtung der Drehung
festgestellt werden. Bei diesem Drehgeber
27 http://wwwiaim.ira.uka.de/Teaching/VorlesungRobotikIII/Pdf-Files/2SW_InterneSensoren.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 30
werden zwei Impulsfolgen, um 90°
phasenverschoben28, erzeugt.
Abbildung 22: Codescheibe eines Zweikanal-
Drehimpulsgebers29
Abbildung 23: Impulsfolgen eines Zweikanal-Drehimpulsgebers30
28 Wenn bei zwei oder mehr periodisch ablaufenden Vorgängen mit gleicherWiederholungshäufigkeit bzw. gleicher Frequenz der gleiche Zustand (z. B.Nullwert-Durchgang oder Maximalwert) zu jeweils einem zeitlich versetztenMoment auftritt, wird dieses als Phasenverschiebung bezeichnet.(http://de.wikipedia.org/wiki/Phasenverschiebung)
29 www.ipvs.uni-stuttgart.de/.../vorlesungen/WS0405/Robotik_I_material/start/robotik_3_sensoren.pdf
30 www.ipvs.uni-stuttgart.de/.../vorlesungen/WS0405/Robotik_I_material/start/robotik_3_sensoren.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 31
- Dreikanal-Drehimpulsgeber
Der Dreikanal-Drehimpulsgeber wird zur
Bestimmung von Winkeln, Richtungen und
Anfang und Ende verwendet. Er verfügt über drei
komplette optische Abtastsysteme. Zwei, wie
beim Zwei-Drehimpulsgeber und der dritte ist nur
ein kurzer Impuls, der Nullimpuls. Zusätzlich ist
die Nullstellung einer Welle sichtbar, die Anfang
und Ende bestimmt.
Abbildung 24: Inkrementeller Encoder31
- Absoluter Encoder
Hierbei ist die Stellung der Scheibe durch spezielle
Markierungen verschlüsselt. Absolut heißt, jeder
Position auf dem Rad wird ein bestimmtes Wortmuster
zugeordnet. Vorteil bei dieser Art: es wird kein
anschließender Zähler gebraucht, Störungen der
Impulse haben keine Auswirkungen und bei einem
Wortmuster aus zwölf Bits besteht eine Genauigkeit von
ca. 0,1 Grad. Nachteil hingegen ist die Konstruktion,
wobei es auf die Exaktheit der Scheibe ankommt, damit
die Informationen auf der Scheibe gelesen werden
können. Beispiele für Kodierungen sind der Gray-Code,
er ändert sich um nur 1 Bit bei jeder Position, und der
31 http://perso.orange.fr/edmond.peulot/Heidenhaim.htm
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 32
Binär-Code. Hierbei verändern sich mehrere Bits an
den einzelnen Position.
Abbildung 25: Absoluter Encoder32
Abbildung 26: Gray-Code (a) und Binär-Code (b)33
32http://perso.orange.fr/edmond.peulot/Heidenhaim.htm
33 http://www2.informatik.hu-berlin.de/~gestewit/kr-skript.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 33
Differentialtransformator
Mit einem Differentialtransformator wird durch eine
Induktionsänderung ein Weg x bestimmt.
Abbildung 27: Differentialtransformator34
Dieser Transformator besteht aus einer Primärspule P und zwei
Sekundärspulen S1 und S2. An der Primärspule befindet sich die
eingehende Wechselspannung. Die beiden Sekundärspulen sind
überkreuz miteinander verbunden. An der rechten Seite der Spulen
werden die Sekundärspannungen abgenommen. Zwischen den
beiden Spulen befindet sich ein Eisenkern. Wird dieser um einen
Wert x verschoben, verändert sich die Induktion. Bleibt der Eisenkern
in der Mitte, hebt sich die Spannung auf.
Resolver
Ein Resolver ist eine spezielle Form des Drehmelders. Das sind
induktiv arbeitende Geräte, die zur Winkelmessung benutzt werden.
34 http://wwwiaim.ira.uka.de/Teaching/VorlesungRobotikIII/Pdf-Files/2SW_InterneSensoren.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 34
2.1.2.2 Geschwindigkeitssensoren
Tachogenerator
Ein elektrischer Generator wird als Tachogenerator bezeichnet. Er
liefert eine Spannung die proportional zur Drehzahl ist. Die
Drehrichtung wird durch die Polarität der Spannung vorgegeben.
2.1.2.3 Beschleunigungssensoren
Dieser Sensor misst eine Beschleunigung mit Hilfe einer
Kraftmessung. Hierfür wird die Trägheitskraft, die auf eine
Testmasse wirkt bestimmt. Die piezoelektrischen
Berührungssensoren arbeiten auf dem Messprinzip der seismische
Masse.
Piezoelektrische Sensoren
Die piezokeramischen Sensorplättchen, die sich in einem
piezoelektrischen Sensor befinden, sind mit einer seismischen
Masse verbunden. Wird diese beschleunigt, entsteht eine Kraft über
der Masse. Diese Krafteinwirkung wird in ein elektrisches Signal
umgewandelt und weiterverarbeitet. Die Höhe der
Ausgangsspannung ist Abhängig von der Beschleunigung der
Masse.
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 35
2.1.2.4 Inertial Navigation System (INS)
Gyroskop
Das Gyroskop dient zur Orientierung im Raum. Ein Gyroskop ist ein
schnell rotierender Kreisel, der sich in einer Kardanaufhängung
befindet. Es bestimmt die Kraft, die proportional zur
Winkelbeschleunigung steht.
Abbildung 28: Gyroskop35
35 http://www2.informatik.hu-berlin.de/~gestewit/kr-skript.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 36
2.2 Aktoren
Definition: Ein Aktor, auf Grund des englischen Begriffes
actuator oft auch Aktuator genannt, ist das
Gegenstück zu einem Sensor. Als Aktor werden die
beweglichen Bauteile eines Roboters bezeichnet, die
die Form, Position und Orientierung eines Roboters
verändern.
Aktoren werden benutzt zur Roboterfortbewegung, zur
Gegenstandsmanipulation, zur Sensorenpositionierung und
Sensorenorientierung. In der Robotik werden die Bauteile eines
Aktors, die den direkten Kontakt mit der Umwelt haben, als
Effektoren bezeichnet. Bei den autonomen Robotern sind zum
Beispiel Räder, Ketten und Beine die Effektoren. Führt ein Roboter
mit seinem Effektor eine Arbeit an einem Gegenstand aus, wird
dieses „Manipulation“ des Objektes genannt. In diesem Fall werden
als Effektoren Greifer eingesetzt. Nach der
Oberflächenbeschaffenheit wird gewählt zwischen Greifern mit zwei
oder mehreren starren Backen, Greifern mit gelenkigen Fingern oder
andere Bauformen.
2.2.1 Bewegungsformen
Damit ein Roboter sich fortbewegen kann, werden Räder, Ketten
oder Beine verwendet. Roboter werden am häufigsten mit Rädern
ausgestattet, da sie eine einfache Mechanik und eine einfache
Bauweise besitzen. Ein weiterer Grund ist das geringere
Eigengewicht. Bei Robotern mit Ketten und Beinen wird eine
komplexere und schwerere Hardware gebraucht, die aber für die
selbe Höchstlast ausgelegt sind. Der Nachteil an Rädern ist die
Leistung, die auf unebenem Grund abnimmt gegenüber der Leistung
auf einem ebenen Grund.
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 37
Roboter die in der Natur eingesetzt werden, fahren häufig mit Ketten.
Kettenfahrzeuge sind mit Hilfe ihrer großen Lauffläche in der Lage
größere Hindernisse leicht zu überwinden und es kommt nicht auf die
Bodenbeschaffenheit an (Sand oder Geröll). Durch die Reibung, die
innerhalb der Kette auftritt, nimmt die Leistung ab und beim Drehen
des Fahrzeuges verliert es wieder Energie, da die Kette gegen den
Boden gedrückt werden muss. Ein weiterer Nachteil besteht, wenn
der Roboter seine Position nach der Umdrehungszahl der einzelnen
Räder der Kette bestimmt. Jede weitere Drehung verfälscht das
Ergebnis mehr. Beispiel für Roboter, die mit Rädern ausgestattet
sind und trotzdem auf unebenen Gelände eingesetzt werden, sind
die Marsrover. Durch die besondere Form der Räderanordnung kann
sich der Roboter gut in Gelände fortbewegen, die sonst nur von
Kettenfahrzeugen befahren werden können. An Hand der Abbildung
(Abb. 29) des Mars Science Laboratory, das voraussichtlich im
Herbst 2009 auf den Mars geschickt wird, ist die Radaufhängung an
beweglichen Trägern zu sehen. So kann der Marsrover sehr große
Hindernisse überwinden.
Abbildung 29: Mars Science Laboratory (MSL)36
36 http://www-robotics.jpl.nasa.gov/projects/MSL.cfm?Project=3
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 38
2.2.2 Antriebsarten von Radgetriebenen Robotern
Differentialantrieb (ein oder zwei Freilaufräder)
Abbildung 30: Differentialantrieb37
Der Differentialantrieb ist einer der einfachsten Roboterantriebe,
bezogen auf die Konstruktion und die Programmierung.
In diesem System sitzen zwei separat angetriebene Räder
gemeinsam auf einer Achse. So hat der Roboter die Möglichkeit
geradeaus zu fahren, sich auf der Stelle zu drehen und sich auf einer
Kreisbahn fortzubewegen.
Nachteil hierbei ist das Gleichgewicht des Roboters. Es werden zur
Vermeidung vom Umsturz ein oder zwei Freiräder angebracht, die
jedoch schwenkbar sein müssen, wenn die Maschine auf der Stelle
drehen soll. Bei dem Einsatz von einem Freilaufrad werden die drei
Räder in einer Dreiecksform angeordnet. Werden zwei Freilaufräder
benötigt, bildet sich bei der Anordnung eine Rautenform. Die Anzahl
der zusätzlichen Räder hängt von der Gewichtsverteilung des
Roboters ab. Auch wenn der Roboter mit drei Rädern in der Balance
ist, wird er bei einer geradeaus Fahrt mit anschließendem abrupten
Bremsen in Fahrtrichtung umkippen. Nur wenn sein Schwerpunkt
sehr weit nach hinten verschoben wird, kann so etwas nicht
passieren. Mit der rautenförmigen Anordnung wäre dieses Problem
gelöst. Sind die zusätzlichen Räder am Roboter fest montiert,
besteht die Gefahr, dass in einem unebenen Gelände die
37 http://www.in.fh-merseburg.de/inf2002/hefter/robotik/Vorlesung%20%20Einf%FChrung%20Robotertechnologie-5.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 39
Antriebsräder den Boden nicht mehr berühren und die Maschine nur
auf den Freilaufräder steht. Das bedeutet, der Roboter kann sich
nicht mehr fortbewegen. Dieses kann verhindert werden, indem die
schwenkbaren Räder an Aufhängungen angebracht werden. Ein
weiterer Nachteil besteht bei der Geradeausfahrt. Es besteht die
Gefahr, dass die beiden Motoren sich in unterschiedlichen
Geschwindigkeiten drehen, aber die gleiche Spannung anliegt. Das
kann zum Beispiel durch ungleichmäßige Gewichtsverteilung oder
unterschiedlichen Untergründen an den beiden Antriebsrädern
vorkommen. Die Folge ist, der Roboter treibt zur Seite ab. Zur
Lösung dieses Problems muss in der Software oder der Hardware
eine Regelung getroffen werden, in dem während der Fahrt die
Motorgeschwindigkeit überwacht und entsprechend angepasst wird.
Synchronantrieb (alle Räder drehen gleichzeitig)
Abbildung 31: Synchronantrieb38
Bei dem Synchronantrieb sind die Räder so miteinander verbunden,
dass sie sich alle immer gleichzeitig bewegen. Soll der Roboter die
Richtung wechseln, werden alle Räder um eine gemeinsame
senkrechte Achse gedreht. Nur die Räder haben die Richtung
geändert, jedoch nicht das Chassis39. Besitzt dieses zum Beispiel an
der Vorderseite Sensoren, muss es im Anschluss zusätzlich gedreht
werden. Mit diesem Synchronantrieb können einige Probleme der
38 http://www.in.fh-merseburg.de/inf2002/hefter/robotik/Vorlesung%20%20Einf%FChrung%20Robotertechnologie-5.pdf
39 Chassis: tragendes Gestell bei einer Konstruktion(http://lexikon.meyers.de/meyers/Chassis)
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 40
anderen Antriebsarten gelöst werden. Die umfangreiche Mechanik,
die gebraucht wird, ist jedoch ein großer Nachteil.
Dreiradantrieb (ein Motor lenkt vorderes Rad, zweiter Motor die
beiden hinteren Räder)
Abbildung 32: Dreiradantrieb40
Beim Dreiradantrieb wird das lenkbare Vorderrad von einem Motor
angetrieben und die beiden feststehenden Hinterräder von einem
zweiten Motor gesteuert. Die Motorgeschwindigkeiten müssen bei
dieser Antriebsform nicht wie beim Differentialantrieb kontrolliert
werden, um geradeaus zu fahren. Es genügt, das Vorderrad in die
Richtung zu positionieren. Zum Nachteil ist, ein Roboter mit diesem
Antrieb kann sich nicht um die eigene Achse drehen.
Ackermannlenkung (zwei Vorderräder laufen synchron)
Abbildung 33: Ackermannlenkung41
40 http://www.informatik.uni-bremen.de/~roefer/kr00/03s.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 41
Die Ackermannlenkung besteht aus zwei feststehenden
Antriebshinterrädern und zwei synchron lenkbaren Vorderrädern. Die
Lenkung ist zum Beispiel aus dem Kfz-Bereich bekannt. Die
Fahrzeuge haben durch die vier Auflagepunkte einen sehr stabilen
Stand.
Omnidirektionaler Antrieb
Bei dem Omnidirektionalen Antrieb wird ein besonderes Rad
verwendet, das omnidirektionale Rad (es wird auch Allseitenrad oder
wie im englischen Omniwheel genannt).
Abbildung 34: OmniWheel mit guter Haftung42
Mit Hilfe dieser Räder kann sich der Roboter in alle Richtungen
bewegen, ohne dass sich der Roboter selber drehen muss. Zwei
Teilräder bilden ein Rad, wobei die beiden Hälften um 45°
verschoben sind. Das Hauptrad besteht aus meist tonnenförmigen
41 http://www.in.fh-merseburg.de/inf2002/hefter/robotik/Vorlesung%20%20Einf%FChrung%20Robotertechnologie-5.pdf
42 http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/OmniWheels
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 42
Hilfsrädern, die auf der Umlauffläche des Rades liegen. Die
Drehachsen dieser Hilfsräder liegen im 90° Winkel zur Drehachse
des Hauptrades. Die Lauffläche des Hauptrades bildet sich durch die
Hilfsräder, die blockieren sobald das Hauptrad angetrieben wird. Die
Hilfsräder selber drehen sich nur, wenn das Hauptrad nicht mehr
angetrieben wird und der Roboter sich in eine andere Richtung
bewegt. Die Richtung kann er ändern indem zum Beispiel ein
weiteres Allseitenrad angetrieben wird, das in einem Winkel von 90°
zu dem anderen Rad steht. Vorteile dieser Räder sind unter anderem
die gute Haftung, der minimale Reibungswiderstand und die
Bewegungsmöglichkeiten in alle Richtungen.
Häufig werden bei Robotern drei Omniwheels im Kreis angeordnet.
Bei dieser Anordnungsform stehen die drei Radachsen in einem 120°
Winkel zueinander.
Abbildung 35: Anordnung von drei OmniWheels43
43 http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/OmniWheels
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 43
- Mecanum Antrieb
Der Mecanum Antrieb ist eine weitere Form des
omnidirektionalen Antriebs. Hierzu wird das sogenannte
Mecanum-Rad verwendet. Die Roboter, die mit diesen
Rädern ausgestattet werden, haben oft vier dieser
Räder, die im Rechteck angeordnet sind. Die
Umlauffläche des Rades besteht aus mehreren Rollen,
die im 45° Winkel angeordnet sind. Das Fahrzeug kann
in jede beliebige Richtung fahren, da die Rollen und das
Rad selber sich unabhängig voneinander bewegen
können. Vorteilhaft ist der geringe Reibungwiderstand
und durch die Bauweise ist eine schnelle Fortbewegung
in alle Richtungen möglich.
Abbildung 36: Funktionsweise des Mecanum-Antriebs44
44 http://de.wikipedia.org/wiki/Mecanum_Rad
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 44
2.2.3 Beispiele für Roboter mit Rädern
Ein Rad
Ein Roboter mit nur einem Rad zu bauen, ist sehr schwierig, da die
Balance eine sehr wichtige Rolle spielt. Aus diesem Grund gibt es
wenige Informationen über diese Bauweise.
Zwei Räder
Bei den zweirädrigen Robotern gibt es verschiedene Anordnungen
der Räder, hintereinander und nebeneinander. Die
Gleichgewichtsprobleme spielen hierbei eine wichtige Rolle. Zur Hilfe
kann ein Stützrad eingesetzt werden, das an einem dritten Punkt das
Fahrzeug unterstützt.
Abbildung 37: Funk-Ferngesteuerter Fahrradroboter45
Drei Räder
Bei dem Gebrauch von drei Räder hat das lenkbares Rad den
Antrieb und die beiden anderen sind passive Mitläufer. Sie können
aber auch über ein Differential mit angetrieben werden.
45 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/35fortbewegung.htm
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 45
Eine besondere Form ist die Anordnung von drei Omniwheels
(Allseitenräder), die häufig für die Fußball spielenden Roboter
verwendet wird.
Vier Räder
Es gibt viele Roboter, die mit vier Rädern ausgestattet sind. Sie
ähneln einem Auto.
Abbildung 38: NORMAD (Nasa)46
Sechs Räder und mehr
Den mehrrädrigen MACRO hat das Fraunhofer Institut für Autonome
Intelligente Systeme entwickelt. Er arbeitet an engen Stellen in der
Kanalisation oder in Rohrleitungen, an denen sich kein Mensch
aufhalten kann. MACRO untersucht die Rohre auf Undichtigkeit oder
Verstopfung. Forscher arbeiten daran, dass dieser Roboter auch
Reparaturen durchführen kann.
46 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/35fortbewegung.htm
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 46
Abbildung 39: MAKRO (Kanalisation- undRohrleitungsfahrzeug)47
2.2.4 Vor- und Nachteile von fahrenden Robotern
Vorteile: - weit verbreitete Antriebsart
- schnell
- Transport von schweren Lasten ist möglich
- relativ leichte Steuerung
Nachteile: - Straßen und Wege müssen vorhanden sein, da
er nicht in unebenen Geländen eingesetzt
werden kann
- unnatürlich, da es keine Lebewesen mir Rädern
gibt
47 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/35fortbewegung.htm
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 47
2.2.5 Beispiel für Roboter mit Kettenantrieben
Abbildung 40: MICRO VGTV48
Der MICRO VGTV wird bei der Suche nach Verschütteten
eingesetzt. Seine Bedienung funktioniert über Fernsteuerung. Auf
Grund seiner Größe (16cm breit und 31cm lang) kann er sich gut in
kleinen Hohlräumen bewegen. Da der MICRO VGTV seine
Antriebsketten aufstellen und absenken kann, ist er in der Lage zu
klettern. Der Bediener kann mit Hilfe von Videokamera, Licht,
Mikrofon und Lautsprecher zum Beispiel Verschüttete kontaktieren.
Der MICRO VGTV war am 11. September 2001 beim
Zusammensturz des World Trade Centers sehr nützlich.
Ein weiteres Kettenfahrzeug ist der MR 180 von der Firma Inuktun,
der zur Entschärfung von Bomben eingesetzt wird.
Abbildung 41: MR180 der Firma Inuktun49
48 http://www.robowelt.de/2zirkus/5gefahr/2retter.htm
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 48
In unebenen Gegenden, in denen die Räder- oder Kettenfahrzeuge
an ihre Grenzen stoßen, werden häufig Roboter auf Beinen
eingesetzt. Diese Roboterart wird auch als Laufmaschine bezeichnet,
es gibt ein-, zwei-, drei-, vier-, sechs- und achtbeinige. Roboter auf
Beinen haben einige Vorteile gegenüber den Fortbewegungsmitteln
auf Rädern, zum Beispiel brauchen keine künstliche Wege angelegt
werden, sie können schnelle und sichere Bewegungen ausführen,
hinterlassen weniger Umweltschäden im Gelände (nur Fußabdrücke
keine breiten Kettenspuren), können höhere Hindernisse
überwinden, etc..
2.2.6 Beispiele für Laufmaschinen
Einbeiniger Roboter
Einen einbeinigen Roboter herzustellen ist sehr anspruchsvoll und es
gibt auch kaum Informationen zu diesem Thema. Ein Beispiel hierfür
ist die Hüpfmaschine von Marc Raibert. Das Gleichgewicht hält der
Roboter z.B. durch ein Gyroskop. In Bewegung kommt die Maschine
mit Hilfe des Teleskopbeines, in dem sich eine Feder befindet. Der
Körper selber wird immer, gegenüber dem Bein, horizontal
ausgerichtet. Durch sein kippen gibt er die Richtung an. Die
Schwingung des Teleskopbeines bestimmt die Sprungweite.
Abbildung 42: Hüpfender einbeiniger Roboter (Raibert, Hodgins,Siggraph 1991)50
49 http://www.robowelt.de/2zirkus/5gefahr/2retter.htm#bomben50 http://ag-vp-www.informatik.uni-kl.de/Papers/skriptamr/Kapitel%202.1.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 49
Abbildung 43: Überblendung der Bewegungen51
Zweibeiniger Roboter
Mit den zweibeinigen Robotern wird versucht, den Maschinen eine
menschenähnliche Form zugeben. Einer der vielleicht bekanntesten
Zweinbeinigen ist ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility).
Abbildung 44: ASIMO52
Das Wichtige bei diesen Laufmaschinen ist, dass sie das
Gleichgewicht halten und Stürze vermeiden müssen.
51 http://ag-vp-www.informatik.uni-kl.de/Papers/skriptamr/Kapitel%202.1.pdf52 http://www.diseno-art.com/encyclopedia/archive/ASIMO.html
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 50
Dreibeiniger Roboter
An der Uni-Mannheim wurde ein Projekt zur Räumung von
Landminen mit Hilfe eines dreibeinigen Roboters durchgeführt.
Nachteil hierbei ist, der Dreibeinige darf seine Beine nur einzeln nach
einander erheben, ansonsten kippt er um.
Vierbeiniger Roboter
Für die vierbeinigen Roboter dienen die Säugetiere als Vorbild. Die
sicherste Gangart bei ihnen ist der Schritt. Die Abbildung 45 zeigt die
Schrittfolge eines Säugetiers. Es bleiben drei Beine (schwarze
Vierecke) stehen, während das vierte Bein (weißes Viereck) einen
neuen Standpunkt einnimmt. Wird diese Folge bei einem Roboter
eingesetzt, ist dieser sehr instabil, wenn er nur noch auf drei Beinen
steht. Aus diesem Grunde erfordert es eine gute Konstruktion. Diese
Gangart ist für langsame Maschinen geeignet. Bei höherer
Geschwindigkeiten werden sie instabiler.
Abbildung 45: Schrittfolge eines Säugetieres53
53 http://www.fb3.fh-dortmund.de/personen/aschendo/roboterwettbewerb/Grundlagen%20der%20Roboteraufgabe%202.htm
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 51
Abbildung 46: AIBO von Sony54
Der AIBO von Sony ist programmierbar. Er spielt zum Beispiel beim
ROBO-Cup mit. Mit Hilfe seiner Augen kann er farbige Gegenstände
sehen, wie beispielsweise einen bunten Fußball. Seinen Kopf und
Körper kann er so wenden, dass er den Ball suchen, finden und
bewegen kann.
Sechsbeiniger Roboter
Die Gangart eines sechsbeinigen Roboters wurde bei den Insekten
abgeguckt. Es werden zwei verschiedene Gangarten in der Robotik
verwendet: der Tripod-Gang und der Tetrapod-Gang. Die Abbildung
47 zeigt die Schrittfolge eines Insektes nach dem Tripod-Gang
Prinzip, das am häufigsten verwendet wird. Es stehen immer drei
Beine am Boden (schwarze Vierecke), während sich die drei anderen
(weiße Vierecke) eine neue Position suchen. Auch für einen Roboter
bedeutet diese Gangart eine hohe Stabilität. Die stehenden Beine
bilden ein so genanntes „Dreibein“, wodurch der Roboter sehr sicher
geht und aber auch steht.
54 http://www.robowelt.de/2zirkus/2tierisch/1kangoroo.htm
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 52
Abbildung 47: Schrittfolge eines Insektes55
Abbildung 48: LAURON-eine insektenartige Laufmaschine56
Beispiel für diese Gangart ist LAURON (Abbildung 48) der die
Stabheuschrecke als Vorbild hat. Diese Form kann durch ihren
sicheren Stand in unebenen Geländen eingesetzt werden.
Beim Tetrapod-Gang befinden sich vier Beine am Boden und nur
zwei in der Luft.
Achtbeiniger Roboter
Ein achtbeiniger Roboter wurde von der Nasa nach seinem
biologischen Vorbild dem Scorpion entwickelt. Da er sehr geländig
ist, soll er auf dem Mars eingesetzt werden. Denkbar ist aber auch
der Einsatz bei der Suche von Verschüttenten. Ein Nachteil von
diesem Roboter ist, dass er nicht für schwere Lasten ausgelegt ist.
55 http://www.fb3.fh-dortmund.de/personen/aschendo/roboterwettbewerb/Grundlagen%20der%20Roboteraufgabe%202.htm
56 http://www.fzi.de/ids/projekte.php?id=18
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 53
Abbildung 49: Scorpion-Roboter57
Die Forschung interessiert sich sehr für mehrbeinige Roboter, aber
es bestehen noch zu viele Schwierigkeiten. Sie haben eine
komplizierte Mechanik und eine umfangreiche Steuerung. Einige von
ihnen haben Koordinationsprobleme der einzelnen Beine. Die
zweibeinigen haben Probleme in der Stabilität. Zudem treten hohe
Kosten auf, gegenüber den Robotern mit Rädern und Ketten, zum
Beispiel für die zwei Motoren, die für jedes Bein benötigt werden.
2.2.7 Vor- und Nachteile von Laufmaschinen
Vorteile: - Bewegungsfreiheit in unebenen Geländen
- keine notwendige Umgebungsveränderung
- biologische Vorbilder
Nachteile: - Komplizierte Bauweise
- Schwierige Energieversorgung
- komplizierte Steuerung
- ungeeignet für den Transport von schweren
Lasten
57 http://ag47.informatik.uni-bremen.de/ger/projekt.php?id=3&details=ja
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 54
2.2.8 Greifer
Damit ein Roboter Gegenstände greifen kann, benötigt er außer
seinen Armen auch Hände. Wie viele Finger so eine Roboterhand
besitzt, kommt auf die Aufgaben an, die diese bewältigen soll. Diese
Hände sind mit zwei, drei, vier oder fünf Fingern ausgestattet.
Einige Finger haben eine einfache Bauweise. Andere, die den
menschlichen Fingern sehr ähneln, haben mehrere Gelenke. Sie
werden für feinere Arbeiten verwendet und haben somit eine
komplexere Ausstattung. Das ist notwendig, da einige Roboter Dinge
greifen müssen, die nicht für sie entwickelt wurden, zum Beispiel ein
rohes Ei.
In der Robotik werden die Finger mit der Hilfe von Seilzügen und
Pneumatik oder Hydraulik bewegt. Die Abbildung 53 zeigt eine Vier-
Finger-Hand, die mit dem Seilzug-Prinzip gebaut ist. Die
Funktionsweise ist vergleichbar mit einer Fahrradhandbremse.
Abbildung 50: Pneumatische Hand58
In der Abbildung 50 ist eine pneumatische Hand zu sehen. Entlang
ihrer Finger sind Schläuche verlegt. Durch den Luftdruck, der durch
diese Schläuche geht, können die einzelnen Finger bewegt werden.
Die Stellung der Finger kann auch hydraulisch verändert werden,
dafür muss aber Flüssigkeit durch die Schläuche fließen.
58 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/34haende.htm
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 55
Zwei Finger
Abbildung 51: Zwei-Finger-Hand59
Drei Finger
Abbildung 52: Drei-Finger-Hand60
59 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/34haende.htm
60 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/34haende.htm
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 56
Vier Finger
Abbildung 53: Vier-Finger- Hand61
Fünf Finger
Abbildung 54: Fünf-Finger-Hand62
2.2.9 FinRay-Prinzip
Die Universität Bremen führt für Studenten im WS06/07 und im SS07
ein Lehrprojekt zum Thema „bionic in progess“ durch. Bei diesem
Projekt sollen Produktkonzepte bis zur Marktreife durchgeführt
61 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/34haende.htm
62 http://www.robowelt.de/1tech/3grundbau/34haende.htm
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 57
werden. Dabei dient die Bionik63 zur Lösungsfindung. Die Grundidee
von dem Entwicklerteam besteht darin, dass „eine Struktur
übertragen werden soll, die sich selbst an verschiedene Geometrien
anpasst. So würde sich die Möglichkeit ergeben, jede Art von
Objektgeometrien zu umgreifen. Es wären keine speziellen Greifer
notwendig, die im Einzelfall ausgewechselt werden müssten.“64
Abbildung 55: Grundidee zur Umsetzung des FinRay-Prinzips65
Das Team hat sich, als biologisches Vorbild, die Flossenstrahlen von
Fischen genommen. Wenn ein Druck auf die seitlichen Stränge
ausgeübt wird, wölbt sich die Flosse diesem Druck entgegen. An der
Universität Bremen wurde, nach diesem Prinzip, ein flexibles
Hebezeug für Gabelstapler entwickelt.
63 Bionik Kurzwort für: Biologie und Technik
64 http://bionic.hfk-bremen.de/bionicweb/dokumentation_gruppe3.pdf
65 http://bionic.hfk-bremen.de/bionicweb/dokumentation_gruppe3.pdf
2. Sensoren und Aktoren an autonomen Robotern 58
Abbildung 56: Bilder vom Prototypen 66
Das Projekt ist zur Zeit noch in der Testphase. Die Tests haben aber
ergeben, dass diese Konstruktion zum Greifen geeignet ist.
66 http://bionic.hfk-bremen.de/bionicweb/dokumentation_gruppe3.pdf
3. Fazit 59
3. Fazit
Das Ergebnis dieser Examensarbeit ist eine Auswahl von
Informationen und Materialien, die zur Gestaltung der neuen
„Robotik“-Vorlesung an der Westfälischen-Wilhelms-Universität
Münster beitragen sollen.
Anhand der Klassifikationen von Sensoren wird ein Einblick in die
Welt der Sensoren an autonomen Robotern geschaffen. Einige
Ausführungen werden verkürzt dargestellt, da dieser Bereich der
Technik so umfangreich ist, das es den Rahmen übersteigen würde.
Das Gebiet der Aktoren an autonomen Robotern besteht aus
Antriebs- und Fortbewegungsarten sowie aus den agierenden
Aktoren. Wegen den umfangreichen Möglichkeiten in der
Anwendung von Aktoren in der Robotik, wurde sich auf diesen
Rahmen beschränkt. Um die Lebhaftigkeit dieser Technik zu
demonstrieren, wird der Fachbereich von Forschung und
Entwicklung durch ein Beispiel (FinRay-Prinzip) dargestellt.
4. Literaturverzeichnis 60
4. Literaturverzeichnis
4.1 Bücher
- Autonome mobile Systeme 1995. R. Dillmann, U. Rembold, T.
Lüth, Springer Verlag, Karlsruhe,1995
- Das Handbuch für Ingenieure. Sensoren und Sensorsysteme.
Karl-Walter Bonfig, expert Verlag, 1991
- Informationsverarbeitung in der Robotik. Rüdiger Dillmann,
Martin Huck, Springer Verlag, 1991
- Intelligente Sensorsysteme in der Fertigungstechnik. Jürgen
Rogos, Springer Verlag, 1989
- Mobile Roboter, Jens Altenburg, Uwe Altenburg, Carl Hanser
Verlag, 1999
- Mobile Roboter. Joseph L. Jones, Anita M. Flynn, Addison-
Wesley Verlag, 1996
- Robotertechnik. D. McCloy, D. M. J Harris, VCH
Verlagsgesellschaft, 1989
- Sensorik. Walter Hexwang, 2. überarbeitete Auflage, Springer
Verlag, 1986
4. Literaturverzeichnis 61
4.2 Internetseiten
- Christian-Albrechts-Universität Kiel. Visuell basierte Robotik,
Prof. Dr. G. Sommer, Dr. J. Pauli, Dr. K. Daniilidis , Dipl.
Inform. J Bruske
online im Internet:
http://www.ks.informatik.uni-kiel.de/~vision/doc/
TechnicalReports/1996_gsjpakdjbr.pdf
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- Erziehungswissenschaftliche Fakultät der Friedrich-Alexander
Universität Erlangen-Nürenberg. Einführung in die
Pädagogische Psychologie (Übung), Gertraud Eßel-Ullmann
online im Internet
http://www.ein-plan.de/ewf/text/EWS_Psycho_Einfuehrung_
in_die_Paed_Psycho_Uebung.pdf
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- Forschungszentrum Informatik in Karlsruhe. Projekt LAURON,
Autor unbekannt
online im Internet:
http://www.fzi.de/ids/projekte.php?id=18
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- Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg.
Diplomarbeit „Design und Realisierung einer experimentellen
Plattform für Roboterfußball, Michael Manger
online im internet:
http://users.informatik.haw-hamburg.de/~kvl/manger/
diplom.pdf
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4. Literaturverzeichnis 62
- ifm electronic GmbH. Sensoren und Systeme für stationäre
und mobilen Einsatz, David Kohoutek
online im Internet
http://www.blt.bmlf.gv.at/vero/veranst/026/3_Kohoutek_ifm_
Sensoren-1.pdf
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- Humboldt-Universität zu Berlin. Skript zur Vorlesung
„Kognitive Robotik“
online im Internet:
http://www2.informatik.hu-berlin.de/~gestewit/kr-skript.pdf
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- Humboldt-Universität zu Berlin. Folien „Kognitive Robotik II“,
Prof. Dr. Hans-Dieter Burkhard
online im Internet:
http://www.ki.informatik.hu-berlin.de/lehre/ss06/kogrob/KR05
06Sensorik-kurz.pdf
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- Kowoma. Gps-Infos, Autor unbekannt
online im Internet:
http://www.kowoma.de/gps/Umlaufbahnen.htm
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- Leibniz Universität Hannover. Robotik II, Prof. Dr.-Ing. habil.
Dr. h.c. Bodo Heimann
online im Internet:
http://www.mzh.uni-hannover.de/IFR/PDF/RobotikII_Teil3
_Folien.pdf
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4. Literaturverzeichnis 63
- Meyers Lexikon online
online im Internet
http://lexikon.meyers.de/meyers/Fotodetektor
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- msw-winterthur. Grundprinzip des Radars, PantelisTasikas
online im Internet
http://www.msw.ch/pdf-files/radar.pdf
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- NASA. Flight Projects – Mars Science Laboratory, Autor
unbekannt
online im Inernet:
http://www-robotics.jpl.nasa.gov/projects/MSL.cfm?Project=3
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- Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Laborpraktikum
Sensorik, Prof. Dr. rer. nat. habil. P. Hauptmann
online im Internet:
http://www.uni-magdeburg.de/imos/mea_sen/training/
Praktikumsanleitungen/S3_Wegsensoren.pdf
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- Pulsotronic
online im Internet
http://www.sensorik.pulsotronic.de/shop/pdf-all-
de/normen/Ind_%20Naeherungsschalter.pdf?ld=010ac0279f5
686ea8035babbfd9802c1
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- Robolab
online im Internet:
http://www.faranda.de/robolab/
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4. Literaturverzeichnis 64
- SensorLab. Lernumgebung zum komplexen Bereich der
Sensorik,
online im Internet:
http://ela.eaz-aalen.de/php/kapitel.php?m=3&k=3&c=1&mnr=3
&knr=2
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- Technische Universität Ilmenau. Vorlesung Robotik für
Informatiker (Teil1), Dr.-Ing. Erik Gerlach,
online im Internet:
http://www.tu-ilmenau.de/fakmb/fileadmin/template/fgtm/
ROBOTIK_2005_2006.pdf
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- Technische Universität Kaiserslautern. Von der
Sinnespsychologie zu Sensorsystemen, Autor unbekannt
online im Internet
http://agrosy.informatik.uni-kl.de/fileadmin/vorlesung
/biobots03/6_sensoren.pdf
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- Universität Bremen. Scorpion, Dipl. Inf. Dirk Spenneberg
online im Internet:
http://ag47.informatik.uni-
bremen.de/ger/projekt.php?id=3&details=ja
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- Universität Bremen. Sensorik, Thomas Röfer,
online im Internet:
http://www.informatik.uni-bremen.de/~roefer/kr02/04.pdf
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4. Literaturverzeichnis 65
- Universität Hamburg. Angewandte Sensorik, Jianwei Zhang
online im Internet:
http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2005WS/
vorlesung/angewandte_sensorik/index.html
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- Universität Karlsruhe (TH). Robotik3 – Sensoren in der
Robotik, Prof. Dr.-Ing. R. Dillmann,
online im Internet:
http://wwwiaim.ira.uka.de/Teaching/VorlesungRobotikIII
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- Universität Leipzig. Surgical Navigation, Werner Korb
online im Internet
http://www.iccas.de/ressource/lectures/CASMedizin/VL10_Na
vigation_Registrierung.pdf
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- Universität Rostock. Robotik als Schnittstelle zwischen
Mechanik, Informatik und Elektronik, Prof. Dr. Hartmut Pfüller
und Dipl. Ing. Birgit Krumpholz
online im Internet
http://www-md.e-technik.uni-rostock.de/veroeff/Krumpholz
RobotikMathNatTageRostock.pdf
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- Universität Stuttgart. Diplomarbeit Nr. 1338 „Regelung und
Steuerung von autonomen mobilen Robotern unter Oberon“,
Ralf Taugerbeck
online im Internet:
http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/1999/64/pdf/64.pdf
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4. Literaturverzeichnis 66
- Universität Stuttgart. Vorlesung Robotik. Kapitel 3: Sensoren,
Dipl. Inform. Reinhard Lafrenz
online im Internet:
http://www.ipvs.uni-stuttgart.de/abteilungen/bv/lehre/
lehrveranstaltungen/vorlesungen/WS0405/Robotik_I_material/
start/robotik_3_sensoren.pdf
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- Wikipedia – die freie Enzyklopädie:
online im Internet:
http://de.wikipedia.org/wiki/Sensor
[abgerufen am 30.05.2007]
5. Abbildungsverzeichnis 67
5. Abbildungsverzeichnis
ABBILDUNG 1 : Einsatzmöglichkeit für den fächerübergreifenden
Unterricht in der Schule
ABBILDUNG 2: Die menschlichen Sinne
ABBILDUNG 3: Aufnahme, Bewusstmachung und Abgabe von
Informationen
ABBILDUNG 4: Klassifikation von Sensoren in der Robotik
ABBILDUNG 5: Übersicht „Externe Sensoren“
ABBILDUNG 6: Dehnungsmessstreifen
ABBILDUNG 7: Piezoelektrischer Effekt
ABBILDUNG 8: Aufbau eines induktiven Näherungssensors
ABBILDUNG 9: Arbeitsprinzip eines induktiven
Näherungssensors
ABBILDUNG 10: Lichtschranke
ABBILDUNG 11: Ultraschallprinzip
ABBILDUNG 12: Ermitter-Objekt-Detektor
ABBILDUNG 13: Berechnung der Entfernung x vom Gegenstand
G zur Objektivebenen
ABBILDUNG 14: Das Prinzip des Radars
ABBILDUNG 15: Satellitenbahnen
5. Abbildungsverzeichnis 68
ABBILDUNG 16: Inklination (Neigung) der Umlaufbahnen
ABBILDUNG 17: Distanzmessung beim GPS
ABBILDUNG 18: Differential GPS (DGPS)
ABBILDUNG 19: Übersicht „Interne Sensoren“
ABBILDUNG 20: Modell Radencoder
ABBILDUNG 21: Inkrementelle Kodierung
ABBILDUNG 22: Codescheibe eines Zweikannal-
Drehimpulsgebers
ABBILDUNG 23: Impulsfolgen eines Zweikannal-
Drehimpulsgebers
ABBILDUNG 24: Inkrementeller Encoder
ABBILDUNG 25: Absoluter Encoder
ABBILDUNG 26: Gray-Code (a) und Binär-Code (b)
ABBILDUNG 27: Differentialtransformator
ABBILDUNG 28: Gyroskop
ABBILDUNG 29: Mars Science Laboratory (MSL)
ABBILDUNG 30: Differentialantrieb
ABBILDUNG 31: Synchronantrieb
ABBILDUNG 32: Dreiradantrieb
5. Abbildungsverzeichnis 69
ABBILDUNG 33: Ackermannlenkung
ABBILDUNG 34: OmniWheel mit guter Haftung
ABBILDUNG 35: Anordnung von drei OmniWheels
ABBILDUNG 36: Funktionsweise des Mecanum Antriebes
ABBILDUNG 37: Funk-Ferngesteuerter Fahrradroboter
ABBILDUNG 38: NORMAD (Nasa)
ABBILDUNG 39: MAKRO (Kanalisation- und Rohrleitungsfahrzeug
ABBILDUNG 40: MICRO VGTV
ABBILDUNG 41: MR180 der Firma Inuktun
ABBILDUNG 42: Hüpfender einbeiniger Roboter (Raibert,
Hodgins, Siggraph 1991
ABBILDUNG 43: Überblendung der Bewegungen
ABBILDUNG 44: ASIMO
ABBILDUNG 45: Schrittfolge eines Säugetieres
ABBILDUNG 46: AIBO von Sony
ABBILDUNG 47: Schrittfolge eines Insektes
ABBILDUNG 48: LAURON-eine insektenartige Laufmaschine
ABBILDUNG 49: Scorpion – Roboter
5. Abbildungsverzeichnis 70
ABBILDUNG 50: Pneumatische Hand
ABBILDUNG 51: Zwei-Finger-Hand
ABBILDUNG 52: Drei-Finger-Hand
ABBILDUNG 53: Vier-Finger-Hand
ABBILDUNG 54: Fünf-Finger-Hand
ABBILDUNG 55: Grundidee zur Umsetzung des FinRay-Prinzips
ABBILDUNG 56: Bilder vom Prototypen
6. Erklärung 71
6. Erklärung
„Ich versichere, dass ich die schriftliche Hausarbeit selbständig
verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und
Hilfsmittel benutzt habe. Alle Stellen der Arbeit, die anderen Werken
dem Wortlaut oder Sinn nach entnommen wurden, habe ich in jedem
Fall unter Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich gemacht. Das
gleiche gilt auch für die beigegebenen Zeichnungen, Kartenskizzen
und Darstellungen.“