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Robotik

Sammelbegriff für das Design, Konstruktion und den Betrieb von Robotern
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Das Themengebiet der Robotik, das auch unter der Bezeichnung Robotertechnik geläufig ist, befasst sich mit dem Versuch, das Konzept der Interaktion mit der physischen Welt auf Prinzipien der Informationstechnik sowie auf eine technisch machbare Kinetik zu reduzieren. Der Begriff des „Roboters“ beschreibt eine Entität, die diese beiden Konzepte in sich vereint, indem sie die Interaktion mit der physischen Welt auf Basis von Sensoren, Aktoren und Informationsverarbeitung umsetzt. Kernbereich der Robotik ist die Entwicklung und Steuerung solcher Roboter. Sie umfasst Teilgebiete der Informatik (insbesondere der Künstlichen Intelligenz), der Elektrotechnik und des Maschinenbaus. Ziel der Robotik ist es, durch Programmierung ein gesteuertes Zusammenarbeiten der Roboter-Elektronik und Roboter-Mechanik herzustellen.

Shadow Dexterous Robot Hand

Den Begriff der Robotik erfand und prägte der Science-Fiction Autor Isaac Asimov. Erstmals erwähnt wurde die Robotik in Asimovs Kurzgeschichte Runaround (dt. Herumtreiber) im März 1942 im Astounding-Magazin. Nach Asimovs Definition ist die Robotik das Studium der Roboter.

Geschichte

 
Wasserorgel von Heron von Alexandria
 
Elefantenuhr des al-Dschazarī aus einer Automata
 
Robotermodell basierend auf Zeichnungen von Leonardo da Vinci
 
Automatische Ente von Jacques de Vaucanson

Bereits in der Antike wurden erste Versuche mit Automaten durchgeführt. Bekannt sind etwa automatische Theater und Musikmaschinen erdacht durch Heron von Alexandria, oder die fliegende Taube von Archytas von Tarent. Mit dem Niedergang der antiken Kulturen verschwanden temporär auch die wissenschaftlichen Erkenntnisse dieser Zeit. Um 1205 verfasste Al-Dschazari, Muslim-arabischer Ingenieur und Autor des 12. Jahrhunderts, sein Werk über mechanische Apparaturen, die Kitāb fī maʿrifat al-Hiyal al-handasīya „Buch des Wissens von sinnreichen mechanischen Vorrichtungen“, das auch als „Automata“ im westlichen Kulturbereich bekannt wurde. In diesem Werk bekundet er, dass er es für das Reich der Ortoqiden geschrieben habe. Er erstellte die frühen humanoiden Automaten, und die programmierbaren Automaten Band: Robot-Band, Händewaschen Automat, Automatisierte Verschieben Pfauen. Leonardo da Vinci soll von den klassischen Automaten von Al-Dschazari beeinflusst worden sein. So sind seine Aufzeichnungen und Skizzen aus dem 15. Jahrhundert über Androiden bekannt. Natürlich reichte der technische Kenntnisstand der damaligen Zeit noch nicht aus, um derartige Pläne auch zu realisieren. Um 1740 konstruierte und erbaute Jacques de Vaucanson bereits einen flötenspielenden Automaten, eine automatische Ente, sowie den ersten programmierbaren vollautomatischen Webstuhl. In der Literatur wird letzterer Verdienst oft auch Joseph-Marie Jacquard 1805 zugeschrieben.

Ende des 19. Jahrhunderts wurden in diesem Bereich besondere Anstrengungen im Militärwesen unternommen (fernbedienbare Boote, Torpedosteuerungen). Der Schriftsteller Jules Verne schrieb eine Geschichte über eine Menschmaschine. 1920 führte der Schriftsteller Karel Čapek den Begriff Roboter für einen Androiden ein. Nach Ende des Zweiten Weltkrieges erfuhr der Bereich der Robotik rasante Fortschritte. Ausschlaggebend dafür waren sicherlich auch die Erfindung des Transistors 1947 in den Bell Laboratories, integrierte Schaltkreise und in weiterer Folge die Entwicklung leistungsstarker und platzsparender Computer.

Ab etwa 1955 kamen erste NC-Maschinen auf den Markt und 1954 meldet George Devol in den USA ein Patent für einen programmierbaren Manipulator an, dieses Datum gilt als Geburtsstunde für die Entwicklung von Industrierobotern. Devol war auch Mitbegründer der Firma Unimation, die 1960 den ersten hydraulisch betriebenen Industrieroboter vorstellte. 1968 wird am MIT der erste mobile Roboter entwickelt.

In Deutschland wurde die Robotertechnik erst ab Anfang der 1970er Jahre produktiv eingesetzt.

Um 1970 wurde auch der erste autonome mobile Roboter Shakey (der Zittrige) am Stanford Research Institute entwickelt.

Im Jahr 1973 wurde an der Waseda-Universität Tokio die Entwicklung des humanoiden Roboters Wabot 1 gestartet. Im selben Jahr baute der deutsche Robotikpionier KUKA den weltweit ersten Industrieroboter mit sechs elektromechanisch angetriebenen Achsen, bekannt als FAMULUS.[1] Ein Jahr später 1974 stellte die schwedische ASEA ihren vollständig elektrisch angetriebene Roboter (IRb6) vor.

Im Jahre 1986 startete Honda das Humanoid Robot Research and Development Program. Ergebnis waren die humanoiden Roboterversionen P1 bis P3. Eine Weiterentwicklung stellte Honda 2004 in Form des humanoiden Roboter ASIMO vor.

1997 landete der erste mobile Roboter auf dem Mars (Sojourner).

Auch die Spielzeugindustrie hat sich der Robotik nicht verschlossen. Aktuelle Beispiele für derartige Erzeugnisse sind Lego Mindstorms, iPitara, Robonova oder der Roboterhund Aibo der Firma Sony.[2]


Robotik heute

Datei:Palletising robot.jpg
Industrieroboter
 
Assistenzroboter FRIEND
Datei:Aibo-zoom.jpg
Aibo

Die Robotik ist eine wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Entwicklung von Robotern beschäftigt. Dabei spielen die mechanische Modellierung, die Regelung und die elektronische Steuerung eine wesentliche Rolle. Die mechanische Modellierung eines Roboters basiert meistens auf Methoden der Mehrkörpersysteme bzw. Mehrkörperdynamik, während der Entwurf der Regelung für Roboter dem Gebiet der Automatisierungstechnik entstammt.

Es werden mittlerweile alternative Techniken zum Rad als Fortbewegungsmittel in der menschlichen Umgebung erforscht, wie zum Beispiel das Gehen auf sechs, vier, zwei oder auch einem Bein. Während Industrieroboter in einer auf sie angepassten Umgebung meist handwerkliche oder Handhabungs-Aufgaben erledigen, sollen derartige Serviceroboter Dienstleistungen für und am Menschen erbringen. Dazu müssen sie sich in der menschlichen Umgebung bewegen und zurechtfinden können, was Gegenstand wissenschaftlicher Forschung ist.

Wie ein Spiel anmutend, aber mit ernsthafter wissenschaftlicher Forschung als Hintergrund sind Roboter-Fußballspiele zwischen Mannschaften gleichartiger Roboter. Ziel der Forscher ist es bis 2050 eine Fußballmannschaft aus autonomen zweibeinigen Robotern zu entwickeln, die gegen den Fußball-Weltmeister antreten kann.

Industrieroboter werden meist in für den Menschen zu gefährlichen oder unzumutbaren Umgebungen eingesetzt. Moderne Roboter erledigen heute stupide Fließbandarbeit schneller und wesentlich genauer als ein Mensch und können ihn in immer mehr Bereichen ersetzen (Automatisierung). Autos werden heutzutage mit starker Beteiligung von Robotern gebaut, und auch ein moderner Mikroprozessor wäre ohne einen Roboter nicht mehr herstellbar. Serviceroboter werden seit einiger Zeit eingesetzt, um den Menschen den Alltag zu erleichtern oder um sie zu unterhalten, wie zum Beispiel der Robosapien. Es gibt bereits Haushalts-Roboter, die in der Lage sind, Staub zu saugen, den Boden zu wischen oder den Rasen zu mähen. Sie sind zwar nur auf eine einzige Aufgabe spezialisiert, können diese aber relativ autonom durchführen. Forschungsroboter erkunden unter anderem ferne Planeten oder Katastrophengebiete und dringen in Vulkane oder Abwasserrohre vor. AUVs werden für unterschiedlichste Detektionsmissionen im marinen Bereich verwendet. Es gibt Konzepte und erste Prototypen für Kryobots und Hydrobots die zukünftig in der Raumfahrt eingesetzt werden. Auch gibt es Überlegungen Roboter für Proben-Rückhol-Missionen und Asteroid Mining einzusetzen.

In der Medizin werden Roboter für Untersuchungen, Operationen und Rehabilitation eingesetzt und verrichten einfache Aufgaben im Krankenhausalltag. Winzige Nanoroboter, die sich im Blutkreislauf bewegen können, wurden jedoch noch nicht realisiert. Der Assistenzroboter FRIEND, der am Institut für Automatisierungstechnik der Universität Bremen entwickelt wurde, soll behinderte und ältere Personen bei den Aktivitäten des täglichen Lebens (zum Beispiel dem Zubereiten einer Mahlzeit) unterstützen und ihnen eine Reintegration ins Berufsleben ermöglichen.

Modulare Roboter Baukastensysteme werden als physical rapid prototyping für mobile Serviceroboter vor allem im Forschungs- und Entwicklungsbereich eingesetzt. Der Ansatz komponentenbasierte, offene Schnittstellen zu wieder verwendbaren Hardware- und Softwaremodulen ermöglicht eine schnelle und kosteneffiziente Realisierung von Roboterprototypen. Gerade im Bereich der Servicerobotik erfordert die Komplexität der geforderten Aufgaben neue, dynamische, flexible und kostengünstige Ansätze bei der Entwicklung entsprechender Robotersysteme.[3]

Erste Unterhaltungsroboter wie der Roboter-Hund Aibo von Sony sind ein Schritt zum elektronischen Haustier. Neben Aibo gibt es weitere Roboterprodukte der Spielzeug- und Unterhaltungsindustrie, die mit einem Computer in einer meist einfachen Sprache programmiert werden können, um zum Beispiel einer Lichtquelle oder einem Strich auf dem Boden zu folgen oder farbige Bauklötze zu sortieren.

Eine weitere Hobbyrichtung ist der Eigenbau von Robotern. Dies kann unterstützt durch vorbereitete Roboterbausätze erfolgen oder aber nach freier Fantasie. In diesem Fall muss man beispielsweise ein Auto-ähnliches Fahrzeug selbst konstruieren, mit geeigneten Sensoren Entfernungen zum Ziel oder die Farbe des Untergrundes bestimmen und aus diesen Messergebnissen einen Kurs ermitteln, den das Fahrzeug fahren soll. Die eigentliche Aufgabe besteht darin, die Sensordaten mit Geschwindigkeit und Richtung des Fahrzeugs zu verknüpfen. Das erfolgt in einem Mikrocontroller, der selbst programmiert werden muss. Die erforderliche Elektronik wird in unterschiedlicher Ausführung als C-Control oder ROBOprogy[4] angeboten. Bekannte, aber auch sehr aufwändige Vorbilder sind die Rover.

Viele fasziniert zum Beispiel der Bau von „Kampfrobotern“, die ferngesteuert mit martialischen Waffen einander zu zerstören versuchen. Da diese Maschinen ferngesteuert werden und keine nennenswerte eigene Intelligenz besitzen, handelt es sich dabei bisher nicht um Roboter im eigentlichen Wortsinn.

Roboter sind auch ein beliebter Gegenstand in der Science-Fiction. Dort gibt es menschenartige Roboter, die oft über künstliche Intelligenz verfügen. Sind sie auch noch reine Fiktion, so prägen Isaac Asimovs Robotergesetze durchaus schon das Denken über Roboter.

Eine zusätzliche, bereits in sehr einfacher Form realisierte Variation des Roboters ist der Cyborg als Verschmelzung von Roboter-Technologie mit der menschlichen Anatomie. Androiden – künstliche menschenähnliche Wesen – können Roboter sein, Roboter müssen aber nicht unbedingt Androiden sein. Ein erster weit entwickelter Ansatz ist der Roboter ASIMO der Firma Honda.

Robotik und Militär

 
Autonomer Roboter (Grand Challenge 2005)

Zuletzt stellen auch in der Militärtechnologie unbemannte Drohnen, oder Roboter zur Kriegsführung keine Science Fiction mehr dar, sondern Realität. Die DARPA, militärische Forschungseinrichtung des Pentagon, hat erstmals im Juni 2004 im Grand Challenge ein Preisgeld von einer Million US-Dollar ausgeschrieben. Die unbemannten Fahrzeuge der Teilnehmer sollten selbstständig in 10 Stunden quer durch die Mojawewüste ein Ziel in rund 280 Kilometern Entfernung erreichen. Obwohl das erfolgreichste Fahrzeug nur etwa 18 Kilometer weit kam und danach umkippte und in Flammen aufging, wurde das Preisgeld auf zwei Millionen US-Dollar für den nächsten Wettbewerb erhöht. Bei der Wiederholung des Wettbewerbs 2005 erreichten bereits vier Fahrzeuge das Ziel. Das Siegerfahrzeug erreichte eine Durchschnittsgeschwindigkeit von knapp 30 km/h.

Robotik und Sicherheit

Risiko und Gefahren

Sicherheitsrichtlinien für Roboter ergeben sich aus dem jeweiligen Einsatzbereich und dem Robotertyp. Industrieroboter werden durch gesetzlich vorgeschriebene Sicherheitsvorkehrungen wie Käfige, Gitter, Lichtschranken oder andere Barrieren abgesichert. Mit zunehmender Autonomie jedoch benötigen gegenwärtige oder zukünftige, komplexere Robotersysteme den Umständen entsprechend angepasste Sicherheitsvorkehrungen. Durch den vielfältigen Einsatz von Robotern ist es jedoch schwierig, universelle Sicherheitsregeln für alle Roboter aufzustellen. Auch die von Science-Fiction-Autor Isaac Asimov in seinen Romanen aufgestellten „Drei (bzw. vier) Regeln der Robotik“ (Robotergesetze) können nur als ethische Richtlinien für eine mögliche Programmierung verstanden werden, da unvorhersehbare Situationen vom Roboter nicht kalkulierbar sind. Je autonomer ein Roboter im Umfeld des Menschen agiert, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Lebewesen oder Gegenstände zu Schaden kommen werden. Ebenso ist die Vorstellung umstritten, dass Roboter dem Menschen Schutz bieten können – nicht zuletzt aufgrund der Unschärfe des Begriffes Schutz. Dass hier keine absoluten Werte programmiert werden können, zeigt sich parallel in der Diskussion über das Spannungsverhältnis zwischen Schutz und Bevormundung. Diese Problematik wird zum Beispiel im Film I, Robot thematisiert, wo auf Grund einer berechneten „Überlebenswahrscheinlichkeit“ ein Mann durch einen Roboter aus einem ins Wasser gestürzten Auto gerettet wird, während ein Kind in einem ebenfalls sinkenden Auto ertrinkt. Ein Mensch hätte wahrscheinlich statt auf Grund einer abstrakten Überlebenswahrscheinlichkeit eher nach ethisch-moralischen Prinzipien gehandelt, und zuerst das Kind gerettet.

 
Global Hawk, eine unbemannte Drohne

Zur Gruppe der Roboter gehören auch autonome Waffen- oder Aufklärungssysteme wie Smart Bombs, unbemannte Drohnen, Wachroboter oder zukünftig denkbare autonome Kampfroboter. Werden solche gefährlichen Maschinen zur Kriegführung verwendet, wird die Frage nach ethischen Werten in der Programmierung ggf. überflüssig und es zeigt sich, dass die Forderung nach universellen Sicherheitsmaximen für alle Anwendungsgebiete und Robotertypen offenbar eine nur schwer zu lösende Aufgabe darstellt. Die Berücksichtigung ethischer Werte in der Verwendung von Robotern ist auch kein Thema, dem die Menschheit erst in der Zukunft gegenüberstehen wird. Bereits im Zweiten Weltkrieg wurden Schiffe durch Torpedos mit Navigationssystem versenkt, oder Gebäude durch V1-Marschflugkörper zerstört, die durch ihre Funktionsweise Input, Processing and Output der Definition eines Roboters entsprechen. Auch gegenwärtig werden Menschen gezielt von komplexen, autonom agierenden Maschinen direkt oder indirekt verletzt oder getötet.

Im April 2008 wurde eine SWORDS genannte Bauserie autonom agierender bewaffneter Roboter für den Einsatz im Irakkrieg durch das amerikanische Verteidigungsministerium aus dem Dienst zurückgezogen, da sich bei mehreren Vorfällen der Waffenarm des Roboters gedreht hatte, obwohl dies in der jeweiligen Situation nicht vorgesehen war. Obwohl bei den Vorfällen niemand verletzt worden war, wurden die Roboter darauf hin als unsicher eingestuft, und der Feldeinsatz abgebrochen.[5]

Unfälle

Die meisten Unfälle mit Robotern entstehen während der Wartung oder Programmierung des Roboters, nicht etwa im geregelten Betrieb. Am 21. Juli 1984 wurde in Michigan, USA, der erste Mensch von einem Industrieroboter getötet. Der Roboter bewegte Werkstücke einer Druckgussmaschine. Der 34 Jahre alte Fabrikarbeiter hatte bereits 15 Jahre Arbeitserfahrung im Druckgießen und erst drei Wochen vor dem Unfall eine einwöchige Roboterschulung abgeschlossen. Er wurde zwischen der vermeintlich sicheren Rückseite des Roboters und einem Stahlpfosten zu Tode gedrückt, als er gegen jede Warnung in den Gefahrenbereich des Roboters kletterte, um verstreute Produktionsreste zu entfernen. Das amerikanische National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) bietet Richtlinien für Roboterkonstruktion, Training und Anleitung der Mitarbeiter.

Robotik in der Kultur

Roboter-Wettbewerbe

Forschungseinrichtungen

Forschungseinrichtungen im deutschsprachigen Raum sind unter anderem (in alphabetischer Reihenfolge):

Siehe auch

Wiktionary: Roboter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Literatur

  • Bruno Siciliano, Oussama Khatib: Springer Handbook of Robotics. Springer-Verlag, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-23957-4.
  • George Bekey, Robert Ambrose, Vijay Kumar: Robotics: State of the Art and Future Challenges. World Scientific Pub, London 2008, ISBN 978-1-84816-006-4.
  • John J. Craig: Introduction to Robotics – Mechanics and Control. Prentice Hall International, Upper Saddle River 2005, ISBN 0-201-54361-3.
  • Alois Knoll, Thomas Christaller: Robotik: Autonome Agenten. Künstliche Intelligenz. Sensorik. Embodiment. Maschinelles Lernen. Serviceroboter. Roboter in der Medizin. Navigationssysteme. Neuronale Netze. RoboCup. Architekturen. Fischer (Tb.), Frankfurt, Frankfurt am Main 2003, ISBN 978-3-596-15552-1.
  • Heinz W. Katzenmeier: Grundlagen der Robotertechnik: Tipps und Tricks für den Selbstbau. Elektor-Verlag, Aachen 2004, ISBN 978-3-89576-147-8.
  • Alex Ellery: An introduction to space robotics. Springer, London 2000, ISBN 1-85233-164-X.
Commons: Robotik – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Referenzen

  1. ↑ KUKA-Roboter.de: 1973 Der erste KUKA-Roboter Deutsch, Abgerufen am 18. Mai 2008
  2. ↑ Übersicht schulrelevante (Spielzeug) Robotersysteme Deutsch, Abgerufen am 5. Oktober 2010
  3. ↑ http://www.volksbot.de/pdfs/lit-volksbot.html physical rapid protoyping System Volksbot
  4. ↑ ROBOPROGY mit forth
  5. ↑ Wired.com: Killer Ground 'Bots Out of Iraq: How Come? Englisch, Abgerufen am 21. April 2008
  6. ↑ http://ais.informatik.uni-freiburg.de/
  7. ↑ http://www6.in.tum.de/
  8. ↑ [1]
  9. ↑ http://agrosy.informatik.uni-kl.de/
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