Grundlagen der Robotik und Steuerungstechnik

Robotics: Sensor-, Steuerungs- und Antriebslösungen

Ein Temperaturregler-Sensor misst die Umgebungstemperatur. Basierend auf den erhaltenen Informationen entscheidet der Treiber, ob der Antrieb aktiv ist oder nicht – in diesem Fall der Kühler, der die Aktion durchführt.

Sensoreingang → Treiber → Antrieb → Ausgang

Kontrollgruppe

Eine Gruppe von Elementen, die einen Prozess automatisiert:

• Entry: Informationen erhalten
• Output: Reaktion auf diese Informationen

Arten von Steuerungssystemen

• Open-Loop: Ein System, das unabhängig vom Ausgang aktiviert wird.
• Closed-Loop: Ein System, das durch einen Sensor gesteuert wird; der Eingang wird basierend auf den Informationen vom Ausgang geregelt.

1. Sensoren

Sensoren sind die „Sinne“ des Roboters. Sie ermöglichen es, Daten über die Außenwelt und die Umgebung zu erfassen. Diese Informationen werden an die Steuerung gesendet, wo sie verarbeitet werden, um zu entscheiden, wie zu handeln ist.

• Temperatursensor: Zum Beispiel im Kühlschrank oder Toaster.
• Bimetall-Sensor: Basiert auf der Ausdehnung von zwei verbundenen Platten, die sich bei Erwärmung ausdehnen und verbiegen.
• Positionssensor: Erkennt die Position eines Objekts.
  • Endschalter (Limit Switch)
  • Reed-Kontakt
  • LDR (optische Lage), Fotodioden
• Drucksensor: Basiert auf Skalen, z. B. Reifendruck.
• Feuchtigkeitssensor
• Rauchmelder
• Soundsensor

2. Aktoren

Aktoren sind Elemente, die für die Umwandlung von Steuersignalen in Kraft verantwortlich sind. Sie werden nach der Art der benötigten Energie klassifiziert:

• Elektro-Aktoren: Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie (Gleichstrom- und Schrittmotoren).
• Pneumatik-Aktoren: Wandeln die Energie aus Druckluft in Bewegungen des Roboters um.
• Hydraulik-Aktoren: Nutzen die Energie einer Flüssigkeit in einem Motor, um Energie zu erzeugen.

Elektromechanische Systeme

• Nocken (Cam): Löst Kontakte aus, um Zeitabläufe zu steuern.
• Endschalter: Dient zum Aktivieren und Deaktivieren von Geräten.
• Relais: Besteht aus einer Spule und einer Metallplatte. Wenn Energie fließt, wirkt die Spule wie ein Magnet und zieht die Metallplatte an.

Elektronische Steuerung

Nutzt Transistoren und Regelkreise:

• Transistoren
• Vergleicher
• Computer

Der Roboter

Ein Roboter ist eine Maschine, die automatisch durch ein Programm gesteuert wird.

• Struktur: Vergleichbar mit dem menschlichen Körper.
• Aktor: „Muskeln“, die für die Bewegung zuständig sind.
• Sensor: Entspricht den Sinnen.
• Steuerung: Entspricht dem Gehirn.

Struktur des Roboters

• Rumpf
• Arm
• Unterarm
• Manipulator

Freiheitsgrade

Die Freiheitsgrade eines Roboters bestimmen die Position für auszuführende Aktionen. Sie ergeben sich aus der Anzahl der unabhängigen Drehungen und Bewegungen (Translationen).

Systeme zur Robotersteuerung

• Feste Ablaufsteuerungen
• Variable Sequenzen
• Intelligente Systeme

Betriebssysteme

Betriebssysteme sind Programme, die auf einem Computer installiert sind, um Hardware und Software zu kontrollieren. Beispiele: Windows, Linux, macOS.

Programmiersprachen

• Maschinensprache: Verwendet Bit-Strings aus Nullen und Einsen; die Erstellung von Programmen dauert sehr lange.
• Assemblersprache: Wird durch mnemonische Symbole dargestellt.
• Hochsprachen (z. B. C++): Die Anweisungen zur Durchführung von Maßnahmen sind für Menschen verständlich.
• Natürliche Sprache: Der Benutzer gibt Anweisungen in Alltagssprache in den Computer ein.

Prozess der Programmerstellung

Dateneingabe → Programm → Datenverarbeitung → Ergebnisse → Endstufen

Phasen:

1. Definition des Problems
2. Entwurf des Lösungsalgorithmus: Festlegung von Regeln, um eine Antwort auf ein Problem zu geben, zum Beispiel durch:
   • Pseudocode: Eine Reihe von Sätzen aus einem begrenzten Wortschatz und definierten Regeln.
   • Flussdiagramm: Verwendung von Symbolen zur Darstellung des Ablaufs.