Informationsverarbeitung in der Robotik

Der Begriff Roboter hat seinen Ursprung in Science-Fiction-Erzählungen. Er stammt aus der Übersetzung des 1920 von Karel Capek in der Tschechoslowakei geschriebenen satirischen Theaterstücks “Rossum’s Universal Robot”. Die Bezeichnung “Roboter” ist dabei vom slawischen “robota”, was etwa “schwer arbeiten” bedeutet, abgeleitet. Seit seiner Namensgebung werden Roboter in zahlreichen Erzählungen, Theaterstücken und Filmen als Automatenmenschen mit unterschiedlichen Charakteren beschrieben und geben Anlaß zu optimistischen aber auch zu sehr pessimistischen Spekulationen.

Robotersysteme sind komplexe technische Einrichtungen, die zur Durchführung ihrer Aufgaben in direkter Wechselwirkung mit den Handhabungsobjekten und der Umgebung stehen. Die gezielte Manipulation von Werkstücken mit einem Robotersystem erfordert ein kompliziertes Zusammenspiel zahlreicher Teilsysteme. Zum Aktivieren der Bewegungskomponenten ist ein gerichteter Energiefluß notwendig. Die Synchronisation der Teilsysteme und die räumliche sowie zeitliche Koordination der Bewegungskomponenten steuert der Informationsfluß.

Mit dem Rechnereinsatz haben sich die Organisation und die Funktionsbereiche in der Produktionstechnik gewandelt. Heute ist die Produktionstechnik durch stark informationsorientierte und informationsverarbeitende Abläufe gekennzeichnet. Die zur Planung der Produktion und zur Steuerung und Überwachung der Produktionsausführung maßgeblichen Daten und Informationen werden auf den Leit- und Prozeßrechnern erzeugt, weiterverarbeitet und verwaltet.

Die Off-line-Programmierung erfolgt auf der Grundlage des entwickelten Datenbankschemas zur Erzeugung des anwendungsspezifischen Roboterweltmodells. Von den in Kapitel 2 vorgestellten Off-line-Programmiersystemen sind graphische Robotersimulationssysteme im industriellen Einsatz. Automatische Programmiersysteme befinden sich hingegen noch im Forschungsstadium. Allerdings gibt es für eingeschränkte Anwendungsgebiete bereits Entwicklungen, die aus einer zielorientierten Aufgabenbeschreibung Roboterprogramme erzeugen.

In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Sensoren in der Robotik, ihre Modellierung sowie einige Sensordatenverarbeitungsmethoden behandelt. Allerdings kann kein Anspruch auf Vollständigkeit gestellt werden, da der Rahmen dieses Textbuches dies nicht zuläßt. Hier sei auf die Fachliteratur verwiesen. Neben einigen exemplarischen Sensorbeschreibungen und den dazugehörigen Verarbeitungsalgorithmen wird insbesondere auf die geometrische Repräsentation des Weltmodells für die Sensorverarbeitung eingegangen. Die Interpretation von Sensordaten hängt neben der Extraktion geometrischer Daten, Relationen und Merkmalen auch in der Herstellung von Zusammenhängen mit der aktuellen Roboteraufgabe zusammen. Mit anderen Worten, zur Deutung von Robotersensordaten ist physikalisches Prozesswissen und Kontextwissen erforderlich (siehe auch Kapitel 6). Aus diesem Grund wird das Problem der Umweltrepräsentation eingehend behandelt. Die Vielzahl von Sensorverarbeitungsalgorithmen und Bildverarbeitungsverfahren wie Filterung, Korrelationsberechnungen, Merkmalsextraktion und Situationsanalyse kann nur knapp umrissen werden. Auch hierfür sei auf die Literatur verwiesen.

Wie bereits in Kap. 2 gezeigt, besteht ein Robotersystem aus einer Vielzahl von funktionalen Einzelkomponenten, die zur Ausführung einer Handhabungsaufgabe kooperierend zusammenwirken und einen Roboter in seiner Funktionalität charakterisieren. Während Industrieroboter der ersten Generation (pick and place manipulators) lediglich sequentiell Punktfolgen durchfahren können (lineare Steuerungsprogramme), müssen mit zunehmendem Funktions- und Aufgabenumfang komplexe Programmkontrollstrukturen und zusätzliche Funktionsmoduln verwendet werden. Robotersysteme der 2. Generation nutzen Sensordaten zur adaptiven Trajektoriengenerierung und zur Anpassung des Steuerungsprogramms an aktuelle Situationen. Man spricht von sogenannten Auge-Hand koordinierten Robotersystemen. Autonome mobile Robotersysteme, Roboter der 3. Generation, planen ihre Operationen on-line in Abhängigkeit des Zustandes ihrer Umwelt und der Aufgabe, die sie erfüllen sollen. Sie sollen sich in unbekannter Umgebung orientieren und selbstständig die Reihenfolge ihrer Operationen festlegen können. Sie benötigen hierzu zahlreiche Funktionskomponenten um Planung, Aktionsausführung und -Überwachung sowie Situationsanalysen ausführen zu können. Die Ausführung der eingangs genannten Aufgabe, aber auch der komplexen Aufgabe autonomer Systeme, setzt eine logische Funktions struktur des Robotersystems voraus. Analog zu Rechnerarchitekturen sprechen wir bei Robotern von Roboterarchitekturen.

Die größte Schwierigkeit beim Entwurf zukünftiger autonomer Robotersysteme liegt darin, daß in einer realen Welt, über welche Informationen, wie man aus eigener Erfahrung weiß, sehr oft mehrdeutig, unvollständig oder ungenau vorliegen, Manipulationen und Fahr- oder Gehoperationen auszuführen sind. Insbesondere ist es schwierig, sämtliche Umweltzustände, welche während eines Roboteraktion auftreten und diesen beeinflussen können, vorherzusehen. Gefordert sind deshalb Systeme, welche einen gewissen Grad an Selbstständigkeit besitzen und damit in der Lage sind, Aufgaben bei unvollständig spezifizierter Umwelt und Unsicherheiten erfolgreich durchzuführen.

Unter einem Planungssystem für Roboter versteht man allgemein ein System, das ausgehend von einem Anfangszustand (einer Situation, eines Produkts, einer Datenbasis) und der Beschreibung eines gewünschten Zielzustandes eine Folge von Aktionen generiert, die das betrachtete System von seinem Ausgangszustand schrittweise in den gewünschten Zielzustand überführen. Dem Benutzer des Systems fallt somit lediglich die Spezifikation des Zielzustandes zu, während das System das Problem löst, wie der Zielzustand erreicht werden kann.