Autonomer Forschungsroboter (eBook)

Weiterentwicklung intelligenter Systeme für innovative Entdeckungen und Erkundungen

Fouad Sabry (Autor)

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2024 | 1. Auflage
240 Seiten
Eine Milliarde Sachkundig [German] (Verlag)
978-0-00-068771-5 (ISBN)

Infos

1: Autonomer Forschungsroboter: Dieses Kapitel stellt die Kernprinzipien autonomer Forschungsroboter vor und legt damit die Grundlage für das Buch.

2: Lidar: Erfahren Sie, welche entscheidende Rolle Lidar-Technologie bei der Navigation und Wahrnehmung autonomer Systeme spielt.

3: Autonomer Roboter: Tauchen Sie ein in die Struktur und Funktion autonomer Roboter und untersuchen Sie Schlüsselkomponenten und ihre gegenseitigen Abhängigkeiten.

4: Roboterkartierung: Verstehen Sie, wie Roboter Karten ihrer Umgebung erstellen und interpretieren, um effizient zu navigieren und Aufgaben zu erledigen.

5: Simultane Lokalisierung und Kartierung: Erkunden Sie den entscheidenden Prozess der simultanen Lokalisierung und Kartierung (SLAM), der es Robotern ermöglicht, in unbekannten Gebieten zu navigieren.

6: PatrolBot: Eine Fallstudie von PatrolBot, einem für Sicherheitsanwendungen entwickelten Roboter, die die praktische Umsetzung demonstriert.

7: Unbemanntes Bodenfahrzeug: Untersuchen Sie das Design und die Funktion unbemannter Bodenfahrzeuge und betonen Sie dabei ihre militärischen und kommerziellen Anwendungen.

8: Stanley (Fahrzeug): Erfahren Sie mehr über Stanley, das autonome Fahrzeug, das 2005 die DARPA Grand Challenge gewann, und seine technischen Durchbrüche.

9: Automatisch gesteuertes Fahrzeug: Entdecken Sie, wie automatisch gesteuerte Fahrzeuge Branchen wie Logistik und Fertigung verändern.

10: Mobiler Roboter: Erkunden Sie die Entwicklung mobiler Roboter und ihre Auswirkungen auf die Automatisierung in verschiedenen Bereichen.

11: Positionierungssystem: Verstehen Sie die Bedeutung von Positionierungssystemen in der Robotik, die eine präzise Standortverfolgung für autonome Operationen gewährleisten.

12: Player Project: Eine Einführung in das Player Project, das Software für die Robotersteuerung und -simulation bietet.

13: Indoor-Positionierungssystem: Erfahren Sie, wie Indoor-Positionierungssysteme die Fähigkeit von Robotern verbessern, in komplexen Innenumgebungen zu navigieren.

14: Roboternavigation: Tauchen Sie ein in die Algorithmen und Technologien, die es Robotern ermöglichen, effektiv und autonom zu navigieren.

15: Webots: Entdecken Sie Webots, eine Simulationsplattform, die die Entwicklung und Erprobung autonomer Roboter unterstützt.

16: Toolkit zur Programmierung mobiler Roboter: Lernen Sie die Tools und Techniken kennen, die zum Programmieren mobiler Roboter verwendet werden, um deren Autonomie und Funktionalität zu verbessern.

17: Trägheitsnavigationssystem: Erfahren Sie, wie Trägheitsnavigationssysteme es Robotern ermöglichen, ohne externe Referenzen eine genaue Position beizubehalten.

18: Willow Garage: Entdecken Sie die Beiträge von Willow Garage zur Entwicklung von Open-Source-Software und -Hardware für die Robotik.

19: CajunBot: Ein Blick auf CajunBot, ein einzigartiges Roboterprojekt mit Anwendungen in der akademischen Forschung und Entwicklung.

20: National Robotics Engineering Center: Entdecken Sie die Innovationen des National Robotics Engineering Center, einem führenden Unternehmen in der Entwicklung autonomer Roboter.

21: Alcherio Martinoli: Erfahren Sie mehr über die Beiträge von Alcherio Martinoli zum Bereich der Multirobotersysteme und der autonomen Forschung.

Textauszug

Kapitel 3 : Autonomer Roboter

Ein Roboter, der unabhängig von menschlicher Steuerung arbeiten kann, wird als autonomer Roboter bezeichnet. W. Grey Walter wird der Bau der ersten vollautonomen Roboter in den späten 1940er Jahren zugeschrieben. Diese Roboter erhielten die Namen Elmer und Elsie und waren als ihre Umgebung bekannt. Sie waren die ersten Roboter, die jemals in der Geschichte der Welt gebaut wurden, die einen freien Willen haben sollten und so konzipiert waren, dass sie auf die gleiche Weise "denken" sollten wie biologische Gehirne.

Beispiele aus der Vergangenheit sind mehrere Raumsonden. Selbstfahrende Autos und Staubsauger sind zwei Beispiele für moderne Technologie. Die Industrieroboterarme, die an Fließbändern in Fabriken arbeiten, könnten auch als autonome Roboter bezeichnet werden, obwohl ihre Autonomie aufgrund der stark kontrollierten Umgebung, in der sie arbeiten, und der Tatsache, dass sie sich nicht frei bewegen können, eingeschränkt ist.

Die Fähigkeit eines Roboters, sich selbst zu suchen, ist der Hauptfaktor, der darüber entscheidet, ob er über eine vollständige physische Autonomie verfügt oder nicht. Viele der batteriebetriebenen Roboter, die heute auf dem Markt erhältlich sind, sind in der Lage, eine Ladestation zu lokalisieren und sich mit ihr zu verbinden. Einige Spielzeuge, wie z. B. Sonys Aibo, können sogar selbst andocken, um ihre Akkus aufzuladen.

Die Propriozeption, oft auch bekannt als die Fähigkeit, den eigenen inneren Zustand zu spüren, ist die Grundlage der Selbsterhaltung. In dem Szenario, in dem der Roboter seine Batterien aufladen muss, kann der Roboter durch Propriozeption erkennen, dass seine Batterien zur Neige gehen, woraufhin er nach dem Ladegerät sucht. Die Wärmeüberwachung erfolgt mit einer anderen typischen Art von propriozeptiven Sensoren. Es wird notwendig sein, dass Roboter eine erhöhte Propriozeption haben, damit sie unabhängig von Menschen und in feindlichen Umgebungen funktionieren können. Propriozeptive Sensoren gibt es in einer Vielzahl von Formen, von denen die gebräuchlichsten thermische, optische und haptische Sensorik sowie der Hall-Effekt (elektrisch) sind.

Das Wahrnehmen von Dingen über die eigene Umgebung ist ein Beispiel für Exterozeption. Damit sie ihre Aufgaben erfüllen können und sich aus der Gefahrenzone heraushalten, müssen autonome Roboter mit einer Vielzahl von Umgebungssensoren ausgestattet sein.

Das elektromagnetische Spektrum, Schall, Berührung, Chemikalie (Geruch, Geruch), Temperatur, Reichweite zu verschiedenen Objekten und Höhe sind Beispiele für gängige exterozeptive Sensoren.

Einige Staubsaugerroboter verfügen über Schmutzdetektoren, die erkennen, wie viel Schmutz aufgenommen wird, und diese Informationen nutzen, um ihnen mitzuteilen, dass sie länger in einem Bereich bleiben sollen. Einige Mähroboter passen ihre Programmierung an, indem sie die Geschwindigkeit erkennen, mit der das Gras wächst, wenn es erforderlich ist, um einen perfekt geschnittenen Rasen zu erhalten. Darüber hinaus erkennen einige Mähroboter die Geschwindigkeit, mit der das Gras wächst, wenn es erforderlich ist, um einen perfekt geschnittenen Rasen zu erhalten.

Wenn es um autonomes Verhalten geht, besteht der nächste Schritt darin, tatsächlich eine körperliche Aktivität auszuführen. Haushaltsroboter sind ein relativ neues Gebiet, das allmählich wirtschaftliches Potenzial zeigt. Im Jahr 2002 waren Unternehmen wie iRobot und Electrolux die ersten, die Miniatur-Staubsaugerroboter auf den Markt brachten. Auch wenn diese Systeme nicht über ein sehr hohes Maß an Intelligenz verfügen, sind sie in der Lage, große Entfernungen zu überqueren und unter engen Bedingungen wie in Wohnhäusern durch den Einsatz von berührungsbetätigten und berührungslosen Sensoren zu steuern. Beide Roboter verwenden proprietäre Algorithmen, um eine größere Abdeckung zu bieten, als es durch einen einfachen zufälligen Abprall möglich wäre.

Die Fähigkeit eines Roboters, bedingte Aufgaben auszuführen, ist für die nächste Stufe der autonomen Aufgabenausführung erforderlich. Zum Beispiel kann Sicherheitsrobotern beigebracht werden, Eindringlinge zu identifizieren und entsprechend der Position des Eindringlings im Gebäude auf eine vorgegebene Weise zu reagieren. Im September 2021 stellte beispielsweise Amazon (das Unternehmen) sein Astro-Produkt für den Einsatz in der Altenpflege, der Heimüberwachung und der Sicherheit vor.

Es ist notwendig, dass ein Roboter in der Lage ist, von einem Ort zum anderen zu gehen und sich seines aktuellen Standorts bewusst zu sein, damit er seine Aktionen "lokalisieren" kann. Die Verwendung von Drahtführungen für diese Art der Navigation wurde in den 1970er Jahren eingeführt, während die Beacon-basierte Triangulation erst Anfang der 2000er Jahre verwendet wurde. Roboter, die heute in kommerziellen Anwendungen eingesetzt werden, sind in der Lage, autonom zu navigieren, basierend auf der Erfassung natürlicher Merkmale. Sowohl der Medizinroboter Pyxus HelpMate als auch der Wächterroboter CyberMotion, die beide in den 1980er Jahren von Pionieren auf dem Gebiet der Robotik gebaut wurden, waren die ersten kommerziellen Roboter, denen dieses Kunststück gelang. Zu Beginn navigierten diese Roboter mit Hilfe von manuell erstellten CAD-Grundrissen, Sonarerkennung und anderen wandfolgenden Modifikationen durch Gebäude. Die nächste Generation mobiler Roboter, wie der PatrolBot und der autonome Rollstuhl von MobileRobots, die beide 2004 auf den Markt kamen, sind in der Lage, ihre eigenen laserbasierten Karten eines Gebäudes zu erstellen und neben Korridoren auch offene Räume zu durchqueren. Wenn etwas dazwischen kommt, passt sich das Steuerungssystem im Handumdrehen an, um eine andere Route zu wählen.

Ursprünglich war die autonome Navigation auf planare Sensoren angewiesen, d. h. Sensoren, die nur auf einer Ebene wahrnehmen können. Beispiele für planare Sensoren sind Laser-Entfernungsmesser. In den modernsten Systemen werden die Informationen einer Vielzahl von Sensoren kombiniert, um sowohl die Lokalisierung (Positionierung) als auch die Navigation durchzuführen. Systeme wie Motivity sind in der Lage, ein ganzes Gebäude selbstständig neu zu kartieren und können sich auf eine Vielzahl von Sensoren in verschiedenen Teilen der Struktur stützen, je nachdem, welcher Sensor zu einem bestimmten Zeitpunkt die genauesten Daten liefert.

Die meisten Indoor-Roboter sind so konzipiert, dass sie behindertengerechte Orte erkunden, indem sie Aufzüge und elektronische Türen manipulieren, anstatt Treppen zu steigen, was eine Aufgabe ist, die eine sehr spezielle Technologie erfordert. Roboter sind heute in der Lage, sich dank elektronischer Zugangskontrollschnittstellen frei in Umgebungen zu bewegen. Derzeit wird an Robotern geforscht, die Türen manuell entriegeln und selbstständig Treppen steigen können.

Mit der Weiterentwicklung dieser Indoor-Ansätze werden Saugroboter in der Lage sein, einen Raum oder einen ganzen Boden nach Definition des Benutzers zu reinigen. Gemeinsam werden die Sicherheitsroboter in der Lage sein, Eindringlinge einzukreisen und ihnen den Weg aus dem Gebäude zu versperren. Infolge dieser technologischen Fortschritte werden begleitende Vorsichtsmaßnahmen eingeführt. Die internen Karten von Robotern erlauben oft die Einrichtung von "verbotenen Zonen", was verhindert, dass Roboter selbstständig auf bestimmte Orte zugreifen können.

Beim Fliegen in der Luft ist es am einfachsten, die Freiheit im Freien zu erreichen, da es weniger Barrieren gibt. Marschflugkörper sind Beispiele für hochautonome und potenziell tödliche Roboter. Der Einsatz von ferngesteuerten Drohnenflugzeugen zum Zwecke der Aufklärung wird immer häufiger. Einige dieser unbemannten Luftfahrzeuge, die oft als UAVs bezeichnet werden, sind in der Lage, ihre gesamte Mission ohne die Unterstützung eines menschlichen Piloten zu irgendeinem Zeitpunkt zu erfüllen, mit der möglichen Ausnahme der Landung, bei der möglicherweise die Hilfe einer Person mit einer Funkfernsteuerung erforderlich ist. Einige Arten von Drohnen sind jedoch in der Lage, kontrollierte, aber automatisierte Landungen durchzuführen. Es wurde angekündigt, dass im Jahr 2014 ein autonomes Schiff mit der Bezeichnung "Autonomous spaceport drone ship" gebaut werden soll, dessen erster Betriebstest im Dezember desselben Jahres stattfinden soll.

Aufgrund der folgenden Faktoren ist die Autonomie im Freien die größte Herausforderung für Bodenfahrzeuge:

Eine Topografie, die dreidimensional ist

Große Schwankungen in der Dichte der Oberfläche

Dringlichkeiten, die durch das Wetter verursacht werden

Instabilität in der Umgebung, die sich bemerkbar macht

Beim Thema autonome Robotik gibt es einige ungelöste Herausforderungen, die nur in der Disziplin selbst zu finden sind und nicht Teil der umfassenderen Suche nach künstlicher Intelligenz sind. Laut dem Buch Autonomous Robots: From Biological Inspiration to Implementation and Control von George A. Bekey muss unter anderem sichergestellt werden, dass der Roboter in der Lage ist, ordnungsgemäß zu arbeiten und beim selbstständigen Betrieb nicht auf Hindernisse stößt.

Energieunabhängigkeit sowie Nahrungssuche

Forscher, die sich für die Schaffung von authentischem künstlichem Leben interessieren, beschäftigen sich nicht nur mit intelligenter Steuerung, sondern auch mit der Fähigkeit des Roboters, über den Prozess der Nahrungssuche (Suche nach Lebensmitteln, die sowohl Energie als auch Ersatzteile umfasst) nach seinen eigenen Vorräten zu suchen.

Dies hat mit dem Konzept der autonomen Nahrungssuche zu tun, das in den Bereichen Sozialanthropologie, menschliche Verhaltensökologie und Verhaltensökologie des...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 18.12.2024
• Übersetzer: Daniel Hueber
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• ISBN-10: 0-00-068771-5 / 0000687715
• ISBN-13: 978-0-00-068771-5 / 9780000687715