Grundlagen der Robotik: Aufbau, Steuerung und Funktion

Was ist ein Roboter?

Ursprung und Definition

Der Ursprung des Wortes „Roboter“ liegt im tschechischen Wort „robota“, was „Arbeit“ oder „Fronarbeit“ bedeutet. Ein Roboter erfasst Informationen aus seiner Umwelt und führt basierend auf diesen Daten Aktionen aus. Im Gegensatz zu einem einfachen Mechanismus, der nur repetitive Aufgaben ausführt, reagiert ein Roboter auf Veränderungen in seiner Umgebung.

Aktueller Entwicklungsstand

Heutige Roboter befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Ein für eine bestimmte Aufgabe programmierter Roboter kann meist nicht ohne Weiteres für eine andere eingesetzt werden.

Grundlagen der Steuerungssysteme

Funktion und Komponenten

Das Steuerungssystem erkennt Umgebungsbedingungen (z. B. Licht, Temperatur) und leitet daraus Aktionen ab. Ein typischer Regelkreis besteht aus folgenden Komponenten:

• Eingangssignal: Wird von einem Sensor erfasst.
• Referenzsignal: Der Sollwert, mit dem das Eingangssignal verglichen wird.
• Vergleicher: Vergleicht das Eingangs- mit dem Referenzsignal.
• Steuersignal: Wirkt auf das Stellelement ein.
• Stellantrieb (Aktor): Das Element, das die Regelgröße korrigiert.

Offener Regelkreis (Steuerung)

Bei offenen Regelkreisen gibt es keine Rückkopplung, der Wert der gesteuerten Variablen wird also nicht überprüft. Beispiele sind eine Heizung mit Zeitschaltuhr oder die Aufnahme-Programmierung eines Videorekorders.

Geschlossener Regelkreis

In geschlossenen Regelkreisen wird der Wert der Regelgröße kontinuierlich bewertet und zurückgemeldet (Feedback). Ein Beispiel hierfür ist die Temperaturregelung eines Raumes durch ein Thermostat.

Aufbau und Anwendung von Robotern

Anwendungsbereiche

Roboter sind in der modernen Industrie unverzichtbar, insbesondere bei Prozessen, die für Menschen riskant sind. Wichtige Einsatzgebiete sind:

• Kernkraft
• Feinmechanik
• Raumfahrt

Hauptkomponenten eines Roboters

• Mechanisches System: Bewegt die Teile des Roboters gemäß den Befehlen des Steuerungssystems.
• Sensoren: Liefern Daten aus der Umgebung (z. B. Kameras, Bewegungs- oder Temperatursensoren).
• Steuerungssystem: Das „Gehirn“ des Roboters, das die Aktionen anhand des Programms leitet.

Bewegung und Mechanik

Arten von Roboter-Gelenken

• Prismatische Gelenke: Ermöglichen lineare Bewegungen (Translation).
• Rotationsgelenke: Ermöglichen Drehbewegungen (Rotation).

Die Wichtigkeit der Mechanik

Die Mechanik ist für einen Roboter mindestens so wichtig wie die Elektronik. Eine perfekte elektronische Schaltung ist nutzlos, wenn die mechanische Konstruktion des Roboters fehlerhaft ist und er sich beispielsweise zu langsam oder unpräzise bewegt.