Fachhochschule Aalen

Hochschule für Technik und Wirtschaft

Studiengang Mikro- und Feinwerktechnik / Mechatronik

Studienarbeit

Aufbau von drei mechatronischen Robotern

Betreuer:

Professor Dipl.-Phys. Dipl.-Ing. Edmund R. Schiessle

Studenten:

Simon Hörner und Joachim Walter

Wintersemester 2001/2002

Inhalt:

1.	Geschichte und Zukunft der Roboter	3
1.1.	Was ist ein Roboter?	3
1.2.	Geschichte des Roboters	3
1.3.	Zeitgenössische und künftige Roboter	5
2.	Moon Walker II	6
2.1.	Elektronik	6
2.2.	Mechanik	8
3.	Hyper Peppy II	9
3.1.	Elektronik	9
3.2.	Mechanik	11
4.	Avoider III	12
4.1.	Elektronik	12
4.2.	Mechanik	15
5.	Was macht diese 3 mechatronischen Maschinen zum Roboter ?	16

1. Geschichte und Zukunft der Roboter

1.1. Was ist ein Roboter?

Roboter sind in der modernen Gesellschaft allgegenwärtig. Man findet sie in verschiedenen Einsatzgebieten. Meist bekannt sind Roboter jedoch aus der Industrie.

Was aber macht einen Roboter zu einem Roboter? Im Lexikon findet man dazu folgendes:

- eine durch Menschen hergestellte Maschine, die mit komplizierter Technik

funktioniert, bzw. ein künstlicher Mensch.

- Maschinen, die nach den gleichen Prinzipien selbständig, d.h. ohne

menschliche Eingriffe, funktionieren.

Diese Beschreibung liefert jedoch noch keine ausreichende Antwort auf die Frage. Deshalb betrachten wir noch die wissenschaftliche Definition:

Seit geraumer Zeit zählt man sogenannte Automaten, wie diese in der Industrie verwendet werden, ebenfalls zu den Robotern. Vorher hatten die Roboter vor allem eine menschliche Gestalt.

Das Wort Roboter stammt ursprünglich aus der tschechischen Sprache und bedeutet soviel wie „erzwungene Arbeit“.

1.2. Geschichte des Roboters

a) Roboter in der Literatur

Die Idee des Roboters ist bereits seit uralter Zeit aus den Mythen und der Literatur vor Christus bekannt.

Der Mensch hat damals schon nach Maschinen gesucht, die ihm die Arbeit abnehmen können.

So gibt es das goldene Mädchen in einer griechischen Mythe aus dem 8. Jh. Vor Christus und den bronzenen Teufel Talos aus dem dritten Jh. Vor Christus. Der griechische Erfinder Heron aus dem Altertum baute eine Automatiktür, wie auch wir sie heute noch benutzen.

Im 18. Jh. Hat ein Franzose namens Beaukersen eine künstliche Ente angefertigt, welche baden, essen, weinen und sogar Exkremente produzieren konnte.

Aus dem 19. Jh. kennen wir die ersten Bücher über Roboterbau: eine populäre Beschreibung mit Abbildung eines künstlichen Wesens das mit Menschen kämpft.

b) Der Fortschritt der Wissenschaft, Technologie und Roboter

Mit dem Fortschritt der Wissenschaft entwickelten sich die bisherigen „Spielzeuge“ zu Robotern. Obwohl den modernen Automaten noch eindeutig unterlegen und mit der modernen Mechatronik noch nicht vergleichbar, wurden die Roboter bereits aus einer Kombination von mechanischen und elektrischen Teilen aufgebaut.

Auf der Weltausstellung von 1927 in New York, konnte die amerikanische Firma Westinghouse den Roboter „Willy“ vorführen. Willy konnte spazieren, reden, mit den Augen blinzeln und Farben erkennen Der Hersteller hatte den Roboter als Hilfe für den Menschen entworfen, aber das Gerät hatte einen eingeschränkten Bewegungsbereich.

In den Anfangsjahren des 20. Jh. präsentierte Isaac Asimov seine „drei Grundlagen zur Herstellung eines Roboters“. Mit seiner Definition verschwindet die Unklarheit und Unsicherheit bei der Definition des Roboters.

Diese 3 Grundlagen sind:

1. Roboter dürfen Menschen keinen Schmerz zufügen oder den Menschen, dem Schmerz zugefügt

wird, ignorieren.

2. Roboter müssen Befehle von Menschen gehorchen, solange Regel 1 nicht verletzt wird.

3. Roboter müssen sich selbst schützen, solange Regel 1 und 2 nicht verletzt werden.

c) Der Stand der heutigen Technik

Die modernen Roboter basieren auf dem Fortschritt der Computer- und Steuerungstechnik, die bereits während dem zweiten Weltkrieg aufgebaut wurde. In diesem Zeitraum wurden die Vakuumröhren der Elektronik und Kommunikationstechnologie erheblich verbessert. Diese Entwicklung bildet das Fundament für die modernen Roboter, obwohl die Röhren für den Roboterbau ungeeignet sind.

An Roboter stellen wir heute Mindestanforderungen. So darf der Roboter nicht nur eine Handlung verrichten. Er muss vielmehr durch geeignete Programmierung mehrere Aufgaben beherrschen. Der Computer bildet dabei das Gehirn des Roboters und deshalb ist der Fortschritt in der Computertechnologie von großer Bedeutung.

Der erste Schritt zur Beseitigung der Mängel der Röhren war die Einführung der Transistoren und Dioden. Transistoren ersetzen die Funktionen der meisten Röhren.

Diese Erfindung hat die Zuverlässigkeit der Computer verbessert.

1.3. Zeitgenössische und künftige Roboter

Stand der Technik im Roboterbau:

Die Entwicklung der Technik macht die Umsetzung der Roboteridee möglich. Roboter verhalten sich teilweise wie Menschen, aber der Unterschied ist deutlich sichtbar.

Hier einige Beispiele für heutige Roboter:

a) Industrieroboter

Industrieroboter sind in der Regel Mechaniksysteme die gefährliche oder gesundheitsschädliche Arbeiten vom Menschen übernehmen. Diese Robotertypen wurden bereits in den 50er und 60er Jahren in großen Stückzahlen gefertigt.

Robotergreifer stehen in einfacher bis sehr komplexer Form und in vielerlei Ausführungen zur Verfügung.

Zur Steuerung werden Mikroprozessoren verwendet.

b) Übrige Industrieroboter

Neben den Industrierobotern setzt die Wissenschaft Roboter auch in der Forschung ein. Typische Beispiele sind die Nuklear- und Tiefseeforschung.

c) Intelligente Roboter

Intelligente Roboter übernehmen komplexe Aufgabe vom Menschen. In wieweit Roboter solche Aufgaben übernehmen können ist noch nicht geklärt. Die Umsetzung dieser Idee ist nicht so einfach wie es scheint.

d) Übrige Robotertypen

Auch in der Medizin spielen Roboter eine wichtige Rolle. So simulieren Roboter für Medizinstudenten den menschlichen Patienten, damit die Studenten ihre ersten Gehversuche auf dem Gebiet der Anästhesie, Herzmassage, Beatmung und das Anlegen einer Infusion nicht am Menschen ausprobieren müssen.

Sensoren simulieren dabei menschliche Züge.

Künftige Roboter:

Sehr erwünschte Robotertypen wären Hilfspfleger, welche uns bei der Versorgung Bettlägeriger helfen könnten. Außerdem besteht die Hoffnung auf den Einsatz der Roboter bei der Rettung von Mensch und Tier aus brennenden Gebäuden.

Roboter dürfen bei alledem nie nur aus Kostengründen eingesetzt werden. Die Industrie muss neben der Effizienz auch die Beziehung zwischen Technologie und Kultur berücksichtigen. Das Ziel beim Einsatz der Computer und Robotertechnologie ist die materielle und geistige Evolution auf dem Gebiet der menschlichen Gesellschaft und seine Arbeitswelt.

2. Moon Walker II :

Elektronischer Roboter mit 2 integrierten Sensoren, die auf Geräusche und sich ändernde Lichtstärke reagieren.

Beim Auftreten eines Geräuschs ( z.B. Klatschen ) oder bei einer Änderung der Lichtstärke lösen die Sensoren eine einige Sekunden dauernde Vorwärtsbewegung aus.

Spezifikation:

Antrieb: 1 Elektromotor

Spannung: 1,5 Volt Batterie

Stromverbrauch: ca. 200 mA

Laufbewegung: vorwärts ( » 10 Sekunden )

Abmessungen: Höhe 130 mm

Durchmesser 100 mm

Gewicht: 170 g

2.1. Elektronik:

Die Elektronik besteht aus verschiedenen Teilschaltungen:

• Mikrofonblock
• Lichtsensorblock
• Verstärker- und Verzögerungsblock
• Motorsteuerung

Mikrofonblock:

R1, R8, C4, VR1, ECM

Die Betriebsspannung wird dem Kondensatormikrofon über den Widerstand R1 aus der Batterie zugeführt. Der Regelwiderstand VR1 sorgt für die Empfindlichkeit, womit das Geräusch verarbeitet wird.

Lichtsensorblock:

R2, R4, R5, R6, R7, C1, C3, VR2, TR1, TR2, PHTR

Bei ausreichendem Licht ist der Phototransistor PHTR eingeschaltet und leitet den Strom. TR1 und TR2 sind dann gesperrt und die Spannung auf dem Knotenpunkt von R5 und C3 ist etwa so hoch wie die Batteriespannung.

Wenn nicht genügend Licht auf den Phototransistor einfällt, dann wird PHTR weniger leitend. Dadurch schaltet TR1 und damit auch TR2 ein. Die Spannung am Knotenpunkt R5 und C3 sinkt und es entsteht ein kurzer Impuls über C3.

Verstärker- und Verzögerungsblock:

R9, R10, R11, C5, TR3, TR4

Im Normalfall sind die Transistoren TR3 und TR4 gesperrt und der Ausgang ist „High“ (1,5 Volt).

Die Transistoren TR3 und TR4 funktionieren wie ein Zeitschalter, der auf einen Impuls reagiert. Wenn eine positive Spannung an der Basis von TR3 anliegt, wird dieser leitend. Auch TR4 wird leitend und der Ausgang dieses Blocks wird „Low“ (0 Volt).

Eine positive Rückkopplungsschleife leitet über C5 ein Impulssignal zurück auf die Basis von TR3 und sorgt dafür, dass der Ausgang noch einige Sekunden „Low“ bleibt. Elko C5 ist für die Verzögerung zuständig.

Motorsteuerung:

R12, R13, TR5, TR6

Der Timer kann den Motor nicht direkt ansteuern. Die Motorsteuerung verstärkt den Strom und versorgt den Motor mit einer ausreichenden Stromstärke und der korrekten Stromrichtung. Wenn der Timerausgang „High“ ist (normal), sind TR5 und TR6 gesperrt und der Motor steht. Wenn der Timerausgang sinkt, werden die Transistoren TR5 und TR6 eingeschaltet. Der Motor beginnt zu drehen.

Der RC-Filter bestehend aus R3 und C2 entfernt Störimpulse, die der Motor verursacht.

2.2. Mechanik:

Die Beinbewegung:

Vier Beine, je zwei auf einer Seite, bewegen den Moonwalker II. Auf jeder Seite befindet sich ebenfalls eine Kurbel, die eine Drehbewegung in eine seitliche Bewegung umsetzt. Das Vorderbein ist mechanisch mit der Kurbel verbunden und bewegt sich vor und zurück, wenn sich die Kurbel dreht.

Das Hinterbein ist mit der Kurbel direkt verbunden. Wenn sich die Kurbel dreht, sorgt die Nut in der Beinseite dafür, dass das Bein sich stetig bewegt. Beim Drehen der Kurbel beschreibt die Unterseite des Beins eine kleine Ellipse.

Wenn die Hinterbeine sich in dieser Ellipsenform bewegen, müssten sie sich auch anheben. Statt dessen erheben sich aber die Vorderbeine, weil die Hinterbeine länger und schwerer sind.

Die Vorderbeine machen einen Schritt nach vorne, so dass das Gewicht sich auf die Vorderbeine verlagert und diese den Boden berühren. Die Gummiräder in den Vorderbeinen sorgen dafür, dass der Roboter nicht ausrutscht beim Gehen. Da die Kurbeln mit einem Versatz von 180° eingebaut wurden, bewegen sich die zwei Hälften des Roboters genau im Takt nacheinander.

3. Hyper Peppy II :

Elektronischer Roboter mit einem integrierten Sensor welcher auf Geräusche und Berührung reagiert. Der Roboter fährt solange geradeaus bis ein Geräusch auftritt oder ein Zusammenstoss mit einem Gegenstand erfolgt. Anschließend fährt er eine vorprogrammierte Zeit rückwärts, legt dabei eine Linkskurve ein ( durch Kippen des Vorderrades bis zu einem gegebenen Anschlag ) und fährt dann wieder geradeaus.

Spezifikation:

Antrieb: 1 Elektromotor

Spannung: 2 x 1,5 Volt Batterie

Stromverbrauch: Elektronik ca.10 mA

Antrieb ca. 400 mA

Abmessungen: Höhe 90 mm

Länge 115 mm

Breite 130 mm

Gewicht: 160 g

3.1. Elektronik:

Die Elektronik besteht aus verschiedenen Teilschaltungen:

• Mikrofonblock
• Verstärker- und Verzögerungsblock
• Stromverstärkerblock
• Motorsteuerung

Mikrofonblock:

R1, C1, ECM

Das Kondensatormikrofon wird mit der Betriebsspannung aus der Batterie versorgt. Diese wird über den Widerstand R1 zugeführt. Der Kondensator C1 sorgt für die Verbesserung des Mikrofonsignals.

Verstärker- und Verzögerungsblock:

R2, R3, R4, R5, C2, C3, VR, TR1, TR2

Der Transistor TR1 leitet, falls kein Mikrofonsignal anliegt. Dabei liegt an der Basis von TR2 nur eine geringe Spannung und an dessen Kollektor etwa 2 Volt. Der Transistor TR2 sperrt.

Bei einem Signal vom Mikrofon wird TR1 kurz ausgeschaltet. Dabei wird TR2 leitend. Am Kollektor von TR2 sinkt die Spannung auf etwa 1 Volt.

Die Transistoren TR1 und TR2 bilden zusammen mit dem Mikrofon einen geräusch-empfindlichen Schalter. Eine positive Rückkopplungsschleife leitet über C3 und R3 ein Impulssignal zurück auf die Basis von TR1 und sorgt dafür, dass der Ausgang noch einige Sekunden niedrig bleibt. Elko C3 ist zusammen mit R3 zuständig für die Verzögerung beim Umschalten von „High“ auf „Low“.

Stromverstärkerblock:

R7, R8, R9, R10, TR3, TR4

Der kleine Stromimpuls aus der ersten Stufe wird verstärkt. Die Transistoren TR3 und TR4 sind als Verstärkerstufen in Reihe geschaltet.

Motorsteuerung:

R11, R12, TR5, TR6, TR7, TR8, TR9, TR10

Dieser Block versorgt den Motor mit einer ausreichenden Stromstärke und mit der korrekten Stromrichtung.

Falls der Roboter vorwärts fährt, fließt der Strom über MR durch den Motor nach MW. Die Transistoren TR6, TR7 und TR10 sind eingeschaltet, da der Eingang zwischen TR5 und TR6 „High“ ist. Die übrigen Transistoren sind gesperrt.

Beim Rückwärtsfahren fließt der Strom über MW durch den Motor nach MR. Der Eingang ist in diesem Fall „Low“ und dabei sind die Transistoren TR5, TR8 und TR9 eingeschaltet. Die übrigen Transistoren sind gesperrt.

Der RC-Filter bestehend aus R6 und C4 entfernt Störimpulse, die der Motor verursacht.

3.2. Mechanik:

Das Vorderrad des Roboters ist drehbar. Am linken Hinterrad ist eine Schleifkupplung angebracht. Dies ermöglicht dem Roboter beim Rückwärtsfahren eine Kreisbewegung zu beschreiben. Dabei schwenkt sich das Vorderrad und das linke Hinterrad bleibt stehen. Das rechte Hinterrad läuft um das Linke herum.

Die Schleifkupplung sichert, dass die Räder im Vorwärtsgang miteinander fixiert bleiben, so dass der Roboter vorwärts fährt. Im Rückwärtsgang wird die Fixierung gelöst und der Roboter kann eine Kurve drehen, ohne dass die Räder blockieren.

4. Avoider III :

Elektronischer Roboter mit integriertem Lichtsensor und einer Leuchtdiode. Der Roboter läuft auf sechs Beinen und reagiert auf das reflektierte Licht der LED. So umgeht er Hindernisse die sich ihm in den Weg stellen.

Spezifikation:

Antrieb: 2 Elektromotoren

Spannung: 2 x 1,5 Volt Batterie

Stromverbrauch: Elektronik ca. 7 mA

Antrieb ca. 230 mA

Abmessungen: Höhe 110 mm

Länge 140 mm

Breite 100 mm

Gewicht: 190 g

4.1. Elektronik:

Die Elektronik besteht aus verschiedenen Teilschaltungen:

• Sendemodul
• Empfängermodul
• Verstärkermodul
• Gleichrichtermodul
• Timermodul
• Umpolungsmodul
• Motorantriebsmodul

Sendemodul:

R1, R2, R3, R4, R5, C1, C2, C3, TR1, TR2, LED

Dieses Modul strahlt mit einer LED intensive Lichtimpulse ab. Damit wird kurzzeitig eine hohe Lichtintensität bei geringer Batterieleistung erreicht. TR1 und TR2 bilden zusammen einen Oszillator und schalten die LED mit einer festen Frequenz, die durch C1 und den Widerständen in der Oszillatorschaltung festgelegt wird.

Die Elkos C2, C3 und der Widerstand R1 bilden zusammen einen Filter. Dieser bewirkt, dass die Taktsignale vom LED-Oszillator nicht als Störsignale in die übrigen Elektronikschaltungen durchdringen.

Empfängermodul:

R6, R7, C4, VR, PTR

Wenn die Lichtimpulse von der LED in einem Gegenstand reflektiert werden und eine minimale Leuchtstärke erreichen, wird der Phototransistor diese Signale empfangen. Die Stromstärke im Phototransistor wird sich nun im Takt der ausgestrahlten Lichtimpulse ändern. C4 leitet diese Signale an den Verstärker weiter, blockiert aber einen Gleichstromfluss zum Verstärkereingang. Der Kondensator C4 und der Widerstand R7 bilden zusammen einen Filter, der die Schaltimpulse gut weiterleitet und eventuelle Störsignale unterdrückt.

Verstärkermodul:

R8, R9, C5, IC1

Die Impulse aus dem Empfängermodul sind zu schwach für die Motorsteuerung und müssen zuerst verstärkt werden. Der OP fungiert als Verstärker, wobei die Verstärkung durch das Verhältnis der beiden Widerstände R8 und R9 festgelegt wird.

Gleichrichtermodul:

R10, D, IC4

Das Ausgangssignal des Impulsverstärkers ist ein Schaltimpuls. Dieser Impuls ist für die weitere Signalverarbeitung ungeeignet. Mit einer Gleichrichterdiode wird dieses Signal in eine Gleichspannung umwandelt. Der OP wird nicht als Verstärker eingesetzt. Er stabilisiert die Ausgangsspannung. Wenn die Impulse eine minimale Schwelle überschreiten (0,6 V), wird das Ausgangssignal nach der Diode „High“.

Timermodul:

R10, R11, R12, R13, C6, IC3

Dieser Taktgeber verhindert, dass der Motor unmittelbar seine Drehrichtung wechselt, nachdem der Sensor keine reflektierten Lichtsignale mehr empfängt. Dadurch kann der AVOIDER die Versperrungen auf seinem Weg leichter umgehen. Die RC-Kombination C6 und R19 im Rückkopplungszweig des OPs legt die Verzögerungszeit fest. Der Elko benötigt eine gewisse Ladezeit. Während dieser Zeit bleibt der Timerausgang auf „High“.

Umpolungsmodul:

R11, R12, IC2

Der OP ist in diesem Modul als Inverter geschaltet. Die Ausgangsspannung des Timermoduls wird mit einer festen Spannung (ca. 1 Volt) am Spannungsteiler R11 und R12 verglichen. Bei geringerer Timerspannung wird der Inverterausgang auf „High“ geschaltet. Bei hoher Timerspannung wird die Spannung am Inverterausgang auf „Low“ geschaltet.

Motorantriebsmodul:

R14, R15, R16, R17, TR3, TR4, TR5, TR6, TR7, TR8

Dieses Modul steuert die Stromrichtung der Motoren. Falls die Spannung am Inverterausgang „Low“ ist, leiten die Transistoren TR4, TR6 und TR8 den Strom und beide Motoren werden sich drehen. In dieser Schaltposition bewegt sich der AVOIDER vorwärts.

Wenn der Roboter Lichtsignale empfängt, wird die Ausgangsspannung des Timermoduls „Low“ und damit der Inverterausgang „High“. In diesem Fall leiten die Transistoren TR3, TR5 und TR6. In dieser Schaltposition hält der rechte Motor an und der linke Motor wechselt seine Drehrichtung. Dadurch dreht sich der AVOIDER rückwärts in einem Kreis. Das Timermodul legt dabei die Dauer des Rückwärtsgangs fest.

4.2. Mechanik:

Die Beinbewegung:

Sechs Beine, jeweils drei auf einer Seite bewegen den AVOIDER III. Auf jeder Seite befindet sich außerdem eine Kurbel, welche die Drehbewegung in eine Schrittbewegung umsetzt.

Die Beine sind über ein Kupplungsglied mit der Kurbel verbunden und bewegen sich vor- und rückwärts, während die Kurbel sich dreht. Die Kurbel wandelt die Drehbewegung so in eine Schiebebewegung.

Die mittleren Beine sind direkt verbunden mit der Kurbel, während die vorderen und hinteren Beine mit dem Kupplungsglied verbunden sind. Der Führungsstift, der sich in der Seitenöffnung des mittleren Beines befindet, sorgt dafür, dass dieses Bein eine saubere Schrittbewegung durchführt. Während die Kurbel sich dreht, beschreibt der Fuß des mittleren Beines eine kleine Ellipse. Die vorderen und hinteren Beine bewegen sich, wie die Verbindungsglieder, nur vor- und rückwärts.

5. Was macht diese 3 mechatronischen Maschinen zum

Roboter ?

Augen

Ohren è Gehirn è Bewegung

Information Entscheidung

Ein Merkmal eines Roboters ist die Fähigkeit zur elektronischen Informationsverarbeitung und zur entsprechenden Verhaltensweise. Auch wir Menschen reagieren nach diesem Muster. Unsere Sinnesorgane sammeln Informationen, die wir im Gehirn verarbeiten.

Hyper Peppy

Avoider

Moon Walker

Mikrofon Elektronikteil Mechanikteil

Lichtsensor è Schaltung è Getriebe /

Kurbelantrieb

Information Entscheidung

Die Sinnesorgane der 3 Roboter sind das Mikrofon und der Lichtsensor. Die Roboter verarbeiten die Signale im Elektronikteil und reagieren dementsprechend im Mechanikteil.

Die Sensoren leiten die Informationen in das Elektronikteil und die Elektronik verarbeitet die Information und übermittelt ein Kommando an das Mechanikteil. Die Mechanik bewegt den Roboter.