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

[abgerufen am 30.05.2007]

- 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

[abgerufen am 30.05.2007]

- Forschungszentrum Informatik in Karlsruhe. Projekt LAURON,

Autor unbekannt

online im Internet:

http://www.fzi.de/ids/projekte.php?id=18

[abgerufen am 30.05.2007]

- 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

[abgerufen am 30.05.2007]

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

[abgerufen am 30.05.2007]

- Humboldt-Universität zu Berlin. Skript zur Vorlesung

„Kognitive Robotik“

online im Internet:

http://www2.informatik.hu-berlin.de/~gestewit/kr-skript.pdf

[abgerufen am 30.05.2007]

- 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

[abgerufen am 30.05.2007]

- Kowoma. Gps-Infos, Autor unbekannt

online im Internet:

http://www.kowoma.de/gps/Umlaufbahnen.htm

[abgerufen am 30.05.2007]

- 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

[abgerufen am 30.05.2007]

4. Literaturverzeichnis 63

- Meyers Lexikon online

online im Internet

http://lexikon.meyers.de/meyers/Fotodetektor

[abgerufen am 30.05.2007]

- msw-winterthur. Grundprinzip des Radars, PantelisTasikas

online im Internet

http://www.msw.ch/pdf-files/radar.pdf

[abgerufen am 30.05.2007]

- NASA. Flight Projects – Mars Science Laboratory, Autor

unbekannt

online im Inernet:

http://www-robotics.jpl.nasa.gov/projects/MSL.cfm?Project=3

[abgerufen am 30.05.2007]

- 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

[abgerufen am 30.05.2007]

- Pulsotronic

online im Internet

http://www.sensorik.pulsotronic.de/shop/pdf-all-

de/normen/Ind_%20Naeherungsschalter.pdf?ld=010ac0279f5

686ea8035babbfd9802c1

[abgerufen am 30.05.2007]

- Robolab

online im Internet:

http://www.faranda.de/robolab/

[abgerufen am 30.05.2007]

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

[abgerufen am 30.05.2007]

- 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

[abgerufen am 30.05.2007]

- 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

[abgerufen am 30.05.2007]

- Universität Bremen. Scorpion, Dipl. Inf. Dirk Spenneberg

online im Internet:

http://ag47.informatik.uni-

bremen.de/ger/projekt.php?id=3&details=ja

[abgerufen am 30.05.2007]

- Universität Bremen. Sensorik, Thomas Röfer,

online im Internet:

http://www.informatik.uni-bremen.de/~roefer/kr02/04.pdf

[abgerufen am 30.05.2007]

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

[abgerufen am 30.05.2007]

- Universität Karlsruhe (TH). Robotik3 – Sensoren in der

Robotik, Prof. Dr.-Ing. R. Dillmann,

online im Internet:

http://wwwiaim.ira.uka.de/Teaching/VorlesungRobotikIII

[abgerufen am 30.05.2007]

- Universität Leipzig. Surgical Navigation, Werner Korb

online im Internet

http://www.iccas.de/ressource/lectures/CASMedizin/VL10_Na

vigation_Registrierung.pdf

[abgerufen am 30.05.2007]

- 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

[abgerufen am 30.05.2007]

- 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

[abgerufen am 30.05.2007]

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

[abgerufen am 30.05.2007]

- 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.“