Robotik

Robotik ist ein interdisziplinärer Zweig der Ingenieurwissenschaften und Wissenschaften, der Maschinenbau, Elektrotechnik, Informationstechnik, Informatik und andere umfasst. Die Robotik befasst sich mit dem Design, der Konstruktion, dem Betrieb und dem Einsatz von Robotern sowie Computersystemen für deren Steuerung, sensorisches Feedback und Informationsverarbeitung.

Mit diesen Technologien werden Maschinen entwickelt, die den Menschen ersetzen und menschliche Handlungen replizieren können. Roboter können in vielen Situationen und für viele Zwecke eingesetzt werden, aber heutzutage werden viele in gefährlichen Umgebungen (einschließlich Erkennung und Deaktivierung von Bomben), Herstellungsprozessen oder wo Menschen nicht überleben können (z. B. im Weltraum), eingesetzt. Roboter können jede Form annehmen, einige sind jedoch so gestaltet, dass sie dem Aussehen des Menschen ähneln. Dies soll bei der Akzeptanz eines Roboters in bestimmten replikativen Verhaltensweisen helfen, die normalerweise von Menschen ausgeführt werden. Solche Roboter versuchen, das Gehen, Heben, Sprechen, Erkennen und im Grunde alles zu simulieren, was ein Mensch tun kann. Viele der heutigen Roboter sind von der Natur inspiriert und tragen zum Bereich der biobasierten Robotik bei.

Das Konzept der Erstellung von Maschinen, die autonom arbeiten können, reicht bis in die klassische Zeit zurück. Die Erforschung der Funktionalität und der Einsatzmöglichkeiten von Robotern ist jedoch erst im 20. Jahrhundert gewachsen. In der Geschichte wurde häufig davon ausgegangen, dass Roboter eines Tages in der Lage sein werden, menschliches Verhalten nachzuahmen und Aufgaben auf menschenähnliche Weise zu bewältigen. Die Robotik ist heutzutage ein schnell wachsendes Gebiet, da der technologische Fortschritt weitergeht. Die Erforschung, das Design und der Bau neuer Roboter dienen verschiedenen praktischen Zwecken, sei es im Inland, kommerziell oder militärisch. Viele Roboter sind so gebaut, dass sie Jobs ausführen können, die für die Menschen gefährlich sind, z. B. die Entschärfung von Bomben, das Auffinden von Überlebenden in instabilen Ruinen und die Erkundung von Minen und Schiffbrüchen. Robotik wird auch in STEM (Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen und Mathematik) als Lehrmittel eingesetzt.

Robotik ist ein Bereich des Engineerings, der die Konzeption, Konstruktion, Herstellung und den Betrieb von Robotern umfasst. Dieses Feld überschneidet sich mit Elektronik, Informatik, künstlicher Intelligenz, Mechatronik, Nanotechnologie und Bioengineering.

Roboteraspekte

Es gibt viele Arten von Robotern. Sie werden in vielen verschiedenen Umgebungen und für viele verschiedene Zwecke verwendet. Obwohl sie in Anwendung und Form sehr unterschiedlich sind, weisen sie alle drei grundlegende Ähnlichkeiten auf, wenn es um die Konstruktion geht:

Roboter haben alle eine Art mechanischer Konstruktion, einen Rahmen, eine Form oder eine Form, die für eine bestimmte Aufgabe entwickelt wurde. Beispielsweise kann ein Roboter, der für den Transport über schweren Schmutz oder Schlamm entwickelt wurde, Raupenketten verwenden. Der mechanische Aspekt ist meistens die Lösung des Schöpfers, um die zugewiesene Aufgabe zu erledigen und sich mit der Physik der Umgebung um sie herum zu befassen. Form folgt Funktion.
Roboter haben elektrische Komponenten, die die Maschinen antreiben und steuern. Beispielsweise würde der Roboter mit Raupenketten eine gewisse Kraft benötigen, um die Laufflächen des Trackers zu bewegen. Diese Energie kommt in Form von Elektrizität, die durch einen Draht wandern muss und von einer Batterie, einem grundlegenden elektrischen Stromkreis, stammt. Selbst benzinbetriebene Maschinen, die ihren Strom hauptsächlich aus Benzin beziehen, benötigen immer noch elektrischen Strom, um den Verbrennungsprozess zu starten, weshalb die meisten benzinbetriebenen Maschinen wie Autos über Batterien verfügen. Der elektrische Aspekt von Robotern wird für die Bewegung (durch Motoren), für die Erfassung (wo elektrische Signale zum Messen von Wärme, Schall, Position und Energiestatus verwendet werden) und für den Betrieb (Roboter benötigen eine gewisse elektrische Energie für ihre Motoren) benötigt Sensoren zur Aktivierung und Durchführung grundlegender Vorgänge)
Alle Roboter enthalten einen gewissen Grad an Computerprogrammcode. Ein Programm ist, wie ein Roboter entscheidet, wann oder wie etwas zu tun ist. In dem Beispiel für eine Raupenkette kann ein Roboter, der sich über eine schlammige Straße bewegen muss, die korrekte mechanische Konstruktion haben und die richtige Menge an Energie von seiner Batterie erhalten, er würde jedoch ohne ein Programm, das ihn bewegt, nichts erreichen. Programme sind die Kernkompetenz eines Roboters, er könnte eine ausgezeichnete mechanische und elektrische Konstruktion aufweisen, aber wenn sein Programm schlecht konstruiert ist, wird seine Leistung sehr schlecht sein (oder es funktioniert überhaupt nicht). Es gibt drei verschiedene Arten von Roboterprogrammen: Fernbedienung, künstliche Intelligenz und Hybrid. Ein Roboter mit Fernsteuerungsprogrammierung verfügt über einen bereits vorhandenen Satz von Befehlen, die er nur ausführt, wenn und wenn er ein Signal von einer Steuerquelle empfängt, normalerweise ein Mensch mit einer Fernsteuerung. Es ist vielleicht sinnvoller, Geräte, die in erster Linie durch menschliche Befehle gesteuert werden, eher der Automatisierung als der Robotik zuzuordnen. Roboter, die künstliche Intelligenz verwenden, interagieren eigenständig mit ihrer Umgebung ohne eine Kontrollquelle und können die Reaktion auf Objekte und Probleme, auf die sie stoßen, anhand ihrer bereits vorhandenen Programmierung feststellen. Hybrid ist eine Form der Programmierung, die sowohl AI- als auch RC-Funktionen enthält.

Anwendungen
Da immer mehr Roboter für spezifische Aufgaben entwickelt werden, wird diese Klassifizierungsmethode relevanter. Zum Beispiel sind viele Roboter für Montagearbeiten konzipiert, die für andere Anwendungen nicht ohne weiteres anpassbar sind. Sie werden als “Montageroboter” bezeichnet. Für das Nahtschweißen bieten einige Lieferanten komplette Schweißsysteme mit dem Roboter an, dh die Schweißausrüstung zusammen mit anderen Materialtransporteinrichtungen wie Drehtischen usw. als integrierte Einheit. Ein solches integriertes Robotersystem wird als “Schweißroboter” bezeichnet, obwohl seine diskrete Manipulatoreinheit an eine Vielzahl von Aufgaben angepasst werden kann. Einige Roboter sind speziell für die Handhabung schwerer Lasten konzipiert und werden als “Hochleistungsroboter” bezeichnet.

Aktuelle und mögliche Anwendungen sind:

Militärische Roboter
Caterpillar plant, ferngesteuerte Maschinen zu entwickeln, und erwartet, bis 2021 vollständig autonome schwere Roboter zu entwickeln. Einige Krane sind bereits ferngesteuert.
Es wurde gezeigt, dass ein Roboter eine Herdenaufgabe ausführen kann.
Roboter werden in der Fertigung (seit den 1960er Jahren) zunehmend eingesetzt. In der Autoindustrie können sie mehr als die Hälfte der “Arbeit” ausmachen. Es gibt sogar “Licht aus” -Fabriken, wie beispielsweise eine IBM-Tastaturfabrik in Texas, die zu 100% automatisiert ist.
Roboter wie HOSPI werden als Kuriere in Krankenhäusern (Krankenhausroboter) eingesetzt. Weitere Krankenhausaufgaben, die von Robotern ausgeführt werden, sind Empfangspersonal, Führer und Helfer.
Roboter können auch zu Hause als Kellner und Köche dienen. Boris ist ein Roboter, der eine Spülmaschine laden kann. Rotimatic ist ein Robotik-Küchengerät, das Fladenbrote automatisch kocht.
Roboterkampf für Sport – Hobby oder Sportereignis, bei dem zwei oder mehr Roboter in einer Arena kämpfen, um sich gegenseitig zu deaktivieren. Dies hat sich aus einem Hobby in den 1990er Jahren zu mehreren TV-Serien weltweit entwickelt.
Sanierung kontaminierter Bereiche wie Giftmüll oder Atomanlagen.
Landwirtschaftliche Roboter (AgRobots).
Hausroboter, Reinigung und Pflege älterer Menschen
Medizinische Roboter, die eine invasive Operation durchführen
Haushaltsroboter mit voller Nutzung.
Nanoroboter
Schwarmrobotik

Komponenten

Energiequelle
Derzeit werden hauptsächlich (Blei-Säure-Batterien) als Stromquelle verwendet. Viele verschiedene Arten von Batterien können als Stromquelle für Roboter verwendet werden. Sie reichen von Blei-Säure-Batterien, die sicher sind und eine relativ lange Lebensdauer haben, aber im Vergleich zu Silber-Cadmium-Batterien, deren Volumen geringer ist und derzeit viel teurer ist, ziemlich schwer sind. Bei der Entwicklung eines batteriebetriebenen Roboters müssen Faktoren wie Sicherheit, Lebensdauer und Gewicht des Zyklus berücksichtigt werden. Generatoren, oft eine Art Verbrennungsmotor, können ebenfalls verwendet werden. Solche Konstruktionen sind jedoch häufig mechanisch komplex und benötigen einen Brennstoff, benötigen eine Wärmeableitung und sind relativ schwer. Ein Kabel, das den Roboter mit einer Stromversorgung verbindet, würde die Stromversorgung vollständig vom Roboter trennen. Dies hat den Vorteil, dass Gewicht und Platz gespart werden, indem alle Stromerzeugungs- und Speicherkomponenten an einen anderen Ort verschoben werden. Diese Konstruktion hat jedoch den Nachteil, dass ständig ein Kabel an den Roboter angeschlossen ist, was schwierig zu handhaben ist. Mögliche Stromquellen könnten sein:

pneumatisch (komprimierte Gase)
Solarenergie (Sonnenenergie nutzen und in elektrische Energie umwandeln)
Hydraulik (Flüssigkeiten)
Schwungrad-Energiespeicher
organischer Müll (durch anaerobe Vergärung)
nuklear

Betätigung
Aktuatoren sind die “Muskeln” eines Roboters, die Teile, die gespeicherte Energie in Bewegung umwandeln. Die bei weitem beliebtesten Stellantriebe sind Elektromotoren, die ein Rad oder ein Zahnrad drehen, und Linearantriebe, die Industrieroboter in Fabriken steuern. In letzter Zeit gibt es einige Fortschritte bei alternativen Arten von Stellgliedern, die mit Elektrizität, Chemikalien oder Druckluft betrieben werden.

Elektromotoren
Die große Mehrheit der Roboter verwendet Elektromotoren, häufig bürstenbehaftete und bürstenlose Gleichstrommotoren in tragbaren Robotern oder Wechselstrommotoren in Industrierobotern und CNC-Maschinen. Diese Motoren werden häufig in Systemen mit geringeren Lasten bevorzugt, bei denen die vorherrschende Bewegungsform die Rotation ist.

Linearaktuatoren
Verschiedene Arten von Linearaktuatoren bewegen sich anstelle durch Drehen in und aus und haben oft schnellere Richtungswechsel, insbesondere wenn sehr große Kräfte erforderlich sind, wie beispielsweise bei Industrierobotern. Sie werden normalerweise mit komprimierter und oxidierter Luft (pneumatischer Stellantrieb) oder einem Öl (hydraulischer Stellantrieb) betrieben.

Serie elastische Stellglieder
Eine Biegung ist als Teil des Motorstellglieds konzipiert, um die Sicherheit zu verbessern und robuste Kraftsteuerung, Energieeffizienz und Stoßdämpfung (mechanische Filterung) bereitzustellen, während der übermäßige Verschleiß des Getriebes und anderer mechanischer Komponenten reduziert wird. Die resultierende geringere reflektierte Trägheit kann die Sicherheit verbessern, wenn ein Roboter mit Menschen interagiert oder bei Kollisionen. Es wurde in verschiedenen Robotern verwendet, insbesondere in fortgeschrittenen Fertigungsrobotern und gehenden humanoiden Robotern.

Luftmuskeln
Pneumatische künstliche Muskeln, auch Luftmuskeln genannt, sind spezielle Schläuche, die sich ausdehnen (normalerweise bis zu 40%), wenn Luft in sie hineingetrieben wird. Sie werden in einigen Roboteranwendungen verwendet.

Muskeldraht
Muskeldraht, auch bekannt als Formgedächtnislegierung, Nitinol®- oder Flexinol®-Draht, ist ein Material, das sich beim Anlegen von Elektrizität zusammenzieht (unter 5%). Sie wurden für einige kleine Roboteranwendungen verwendet.

Elektroaktive Polymere
EAPs oder EPAMs sind ein neues Kunststoffmaterial, das sich durch Elektrizität erheblich zusammenziehen kann (bis zu 380% Aktivierungsbelastung) und in Gesichtsmuskeln und Armen von humanoiden Robotern verwendet wurde, um neuen Robotern das Schwimmen, Fliegen, Schwimmen oder Gehen zu ermöglichen.

Piezomotoren
Neue Alternativen zu Gleichstrommotoren sind Piezomotoren oder Ultraschallmotoren. Diese arbeiten nach einem grundsätzlich anderen Prinzip, wobei winzige piezokeramische Elemente, die viele tausend Male pro Sekunde schwingen, eine lineare oder rotatorische Bewegung bewirken. Es gibt verschiedene Betriebsmechanismen. Ein Typ verwendet die Vibration der Piezoelemente, um den Motor in einem Kreis oder einer geraden Linie zu bewegen. Ein anderer Typ verwendet die Piezoelemente, um eine Mutter zum Vibrieren zu bringen oder eine Schraube anzutreiben. Die Vorteile dieser Motoren sind die Auflösung im Nanometerbereich, die Geschwindigkeit und die verfügbare Kraft für ihre Größe. Diese Motoren sind bereits im Handel erhältlich und werden von einigen Robotern verwendet.

Elastische Nanoröhren
Elastische Nanoröhren sind eine vielversprechende Technologie für künstliche Muskeln in der frühen experimentellen Entwicklung. Durch das Fehlen von Defekten in Kohlenstoffnanoröhren können sich diese Filamente um einige Prozent elastisch verformen, wobei die Energiespeicher für Metallnanoröhrchen vielleicht 10 J / cm3 betragen. Menschlicher Bizeps könnte durch einen Draht mit 8 mm Durchmesser dieses Materials ersetzt werden. Ein derart kompakter “Muskel” könnte es künftigen Robotern ermöglichen, den Menschen zu überholen und zu überholen.

Wahrnehmung
Mithilfe von Sensoren können Roboter Informationen über eine bestimmte Messung der Umgebung oder über interne Komponenten erhalten. Dies ist für Roboter unerlässlich, um ihre Aufgaben auszuführen und auf Änderungen in der Umgebung zu reagieren, um die entsprechende Reaktion zu berechnen. Sie werden für verschiedene Arten von Messungen verwendet, um den Robotern Warnungen über Sicherheit oder Fehlfunktionen zu geben und Echtzeitinformationen über die von ihm ausgeführte Aufgabe bereitzustellen.

Berühren
Aktuelle Roboter- und Prothesenhände erhalten weit weniger taktile Informationen als die menschliche Hand. Neuere Forschungen haben ein taktiles Sensorarray entwickelt, das die mechanischen Eigenschaften und Berührungsempfänger menschlicher Fingerspitzen nachahmt. Das Sensorarray ist als starrer Kern aufgebaut, der von einem leitfähigen Fluid umgeben ist, das von einer Elastomerhaut umgeben ist. Elektroden sind auf der Oberfläche des starren Kerns montiert und mit einer Impedanzmessvorrichtung innerhalb des Kerns verbunden. Wenn die künstliche Haut ein Objekt berührt, wird der Fluidpfad um die Elektroden herum deformiert, wodurch Impedanzänderungen erzeugt werden, die die vom Objekt aufgenommenen Kräfte abbilden. Die Forscher erwarten, dass eine wichtige Funktion solcher künstlichen Fingerspitzen darin besteht, den Griff der Roboter an gehaltenen Objekten anzupassen.

Wissenschaftler aus mehreren europäischen Ländern und Israel entwickelten 2009 eine prothetische Hand namens SmartHand, die wie eine echte funktioniert: Patienten können damit schreiben, auf einer Tastatur tippen, Klavier spielen und andere feine Bewegungen ausführen. Die Prothese verfügt über Sensoren, die es dem Patienten ermöglichen, ein echtes Gefühl in seinen Fingerspitzen zu fühlen.

Vision
Computer Vision ist die Wissenschaft und Technologie von Maschinen, die sehen. Als wissenschaftliche Disziplin beschäftigt sich Computer Vision mit der Theorie hinter künstlichen Systemen, die Informationen aus Bildern extrahieren. Die Bilddaten können viele Formen annehmen, z. B. Videosequenzen und Ansichten von Kameras.

In den meisten praktischen Anwendungen für Computer Vision sind die Computer zur Lösung einer bestimmten Aufgabe vorprogrammiert, aber lernbasierte Methoden werden immer häufiger.

Computersichtsysteme basieren auf Bildsensoren, die elektromagnetische Strahlung erfassen, die typischerweise entweder sichtbares Licht oder Infrarotlicht ist. Die Sensoren sind in Festkörperphysik ausgeführt. Der Prozess, bei dem sich Licht von Oberflächen ausbreitet und reflektiert, wird mit einer Optik erklärt. Anspruchsvolle Bildsensoren erfordern sogar eine Quantenmechanik, um ein vollständiges Verständnis des Bilderzeugungsprozesses zu ermöglichen. Roboter können auch mit mehreren Vision-Sensoren ausgestattet werden, um das Tiefengefühl in der Umgebung besser berechnen zu können. Wie das menschliche Auge müssen auch die “Augen” von Robotern in der Lage sein, sich auf ein bestimmtes Interessengebiet zu konzentrieren und sich auch auf Schwankungen der Lichtintensität einzustellen.

Es gibt ein Unterfeld innerhalb der Computervision, in dem künstliche Systeme so gestaltet sind, dass sie die Verarbeitung und das Verhalten biologischer Systeme auf verschiedenen Komplexitätsstufen nachahmen. Einige der lernbasierten Methoden, die im Rahmen von Computer Vision entwickelt wurden, haben auch einen Hintergrund in der Biologie.

Andere
Andere gebräuchliche Formen der Sensorik in der Robotik verwenden Lidar, Radar und Sonar.

Manipulation
Roboter müssen Objekte manipulieren; aufnehmen, verändern, zerstören oder anderweitig auswirken. Daher werden die “Hände” eines Roboters oft als Endeffektoren bezeichnet, während der “Arm” als Manipulator bezeichnet wird. Die meisten Roboterarme verfügen über austauschbare Effektoren, die jeweils einige kleine Aufgaben erfüllen. Einige haben einen festen Manipulator, der nicht ersetzt werden kann, während einige einen Manipulator für allgemeine Zwecke haben, beispielsweise eine humanoide Hand. Um zu lernen, wie man einen Roboter manipuliert, ist häufig eine enge Rückkopplung zwischen Mensch und Roboter erforderlich, obwohl es mehrere Methoden zur Fernmanipulation von Robotern gibt.

Mechanische Greifer
Einer der häufigsten Effektoren ist der Greifer. In seiner einfachsten Form besteht es aus nur zwei Fingern, die sich öffnen und schließen können, um eine Reihe kleiner Objekte aufzunehmen und loszulassen. Finger können beispielsweise aus einer Kette bestehen, durch die ein Metalldraht geführt wird. Hände, die eher wie eine menschliche Hand aussehen und funktionieren, sind die Schattenhand und die Robonauthand. Hände, die auf mittlerer Ebene komplex sind, umfassen die Delft-Hand. Mechanische Greifer können in verschiedenen Ausführungen kommen, einschließlich Reibung und umgreifender Backen. Reibungsbacken verwenden die gesamte Kraft des Greifers, um das Objekt durch Reibung an Ort und Stelle zu halten. Umfassende Spannbacken wiegen das Objekt an Ort und Stelle, wodurch weniger Reibung entsteht.

Vakuumgreifer
Vakuumgreifer sind sehr einfache Geräte zur Wahrnehmung, die sehr große Lasten aufnehmen können, vorausgesetzt, die Greiffläche ist glatt genug, um eine Absaugung zu gewährleisten.

Pick-and-Place-Roboter für elektronische Bauteile und für große Objekte wie Windschutzscheiben für Autos verwenden oft sehr einfache Vakuumgreifer.

Effektoren für allgemeine Zwecke
Einige fortgeschrittene Roboter beginnen, vollständig humanoide Hände zu verwenden, wie die Schattenhand, MANUS und die Schunkhand. Dies sind äußerst geschickte Manipulatoren mit bis zu 20 Freiheitsgraden und Hunderten von taktilen Sensoren.

Fortbewegung

Rollende Roboter
Der Einfachheit halber sind die meisten mobilen Roboter mit vier Rädern oder einer Reihe von kontinuierlichen Spuren ausgestattet. Einige Forscher haben versucht, komplexere Radroboter mit nur einem oder zwei Rädern zu schaffen. Diese können bestimmte Vorteile haben, z. B. höhere Effizienz und geringere Teile sowie die Möglichkeit, dass ein Roboter an beengten Stellen navigieren kann, die ein Roboter mit vier Rädern nicht erreichen kann.

Zweirad-Auswuchtroboter
Ausgleichsroboter verwenden im Allgemeinen einen Gyroskop, um zu erfassen, wie viel ein Roboter fällt, und fahren dann die Räder proportional in dieselbe Richtung, um den Sturz aufgrund der Dynamik eines umgekehrten Pendels hunderte Male pro Sekunde auszugleichen. Es wurden viele verschiedene Auswuchtroboter entwickelt. Während der Segway nicht allgemein als Roboter gedacht wird, kann er als Bestandteil eines Roboters betrachtet werden, wenn er als solcher verwendet wird, spricht er von RMP (Robotic Mobility Platform). Ein Beispiel für diese Verwendung war der NASA-Robonaut, der auf einem Segway montiert wurde.

Einrad-Auswuchtroboter
Ein einrädiger Auswuchtroboter ist eine Erweiterung eines zweirädrigen Auswuchtroboters, so dass er sich in jede 2D-Richtung bewegen kann und eine runde Kugel als einziges Rad verwendet. In letzter Zeit wurden mehrere einrädige Auswuchtroboter entwickelt, wie etwa der “Ballbot” der Carnegie Mellon University, der ungefähren Höhe und Breite einer Person, und der “BallIP” der Tohoku Gakuin University. Aufgrund der langen, dünnen Form und der Fähigkeit, in engen Räumen zu manövrieren, können sie besser funktionieren als andere Roboter in Umgebungen mit Menschen.

Kugelroboter
Es wurden mehrere Versuche mit Robotern unternommen, die sich vollständig in einer kugelförmigen Kugel befinden, entweder durch Drehen eines Gewichts in der Kugel oder durch Drehen der äußeren Hüllen der Kugel. Diese wurden auch als Orb-Bot oder Ball-Bot bezeichnet.

Roboter mit sechs Rädern
Die Verwendung von sechs Rädern anstelle von vier Rädern kann im Gelände, z. B. auf felsigem Dreck oder Gras, eine bessere Traktion oder Griffigkeit bieten.

Verfolgte Roboter
Panzerketten bieten noch mehr Traktion als ein Roboter mit sechs Rädern. Raupenräder verhalten sich so, als wären sie aus Hunderten von Rädern aufgebaut. Daher sind sie für Außen- und Militärroboter sehr üblich, wo der Roboter auf sehr unebenem Gelände fahren muss. Sie sind jedoch im Innenbereich, z. B. auf Teppichen und glatten Böden, nur schwer zu verwenden. Beispiele hierfür sind der Urban Robot “Urbie” der NASA.

Gehen auf Roboter angewendet
Gehen ist ein schwieriges und dynamisches Problem, das gelöst werden muss. Es wurden mehrere Roboter hergestellt, die zuverlässig auf zwei Beinen laufen können, jedoch noch keine, die so robust sind wie ein Mensch. Es wurde bereits viel über menschlich inspiriertes Gehen untersucht, wie beispielsweise das AMBER-Labor, das 2008 von der Mechanical Engineering Department der Texas A & M University gegründet wurde. Viele andere Roboter wurden gebaut, die auf mehr als zwei Beinen laufen, da diese Roboter wesentlich einfacher zu konstruieren sind. Laufroboter können für unebenes Gelände eingesetzt werden, was eine bessere Mobilität und Energieeffizienz bietet als andere Fortbewegungsmethoden. Hybriden wurden auch in Filmen wie I, Robot vorgeschlagen, wo sie auf zwei Beinen laufen und beim Sprint auf vier (Arme + Beine) wechseln. Normalerweise können Roboter auf zwei Beinen auf flachen Böden gut laufen und gelegentlich Treppen hinaufgehen. Keiner kann über felsiges, unebenes Gelände gehen. Einige der Methoden, die ausprobiert wurden, sind:

ZMP-Technik
Der Zero Moment Point (ZMP) ist der Algorithmus, der von Robotern wie Honda ASIMO verwendet wird. Der Bordcomputer des Roboters versucht, die gesamten Trägheitskräfte (die Kombination der Erdanziehungskraft und die Beschleunigung und Verlangsamung des Gehens) genau zu halten, genau entgegengesetzt von der Bodenreaktionskraft (der Kraft, die der Boden auf den Fuß des Roboters drückt). Auf diese Weise heben sich die beiden Kräfte auf und lassen keinen Moment zurück (Kraft, die den Roboter dreht und umkippt). Dies ist jedoch nicht genau so, wie ein Mensch geht, und der Unterschied ist für menschliche Beobachter offensichtlich, von denen einige darauf hingewiesen haben, dass ASIMO so läuft, als ob es die Toilette braucht. Der Laufalgorithmus von ASIMO ist nicht statisch und es wird ein dynamischer Ausgleich verwendet (siehe unten). Es ist jedoch immer noch eine glatte Oberfläche zum Laufen erforderlich.

Hüpfen
Mehrere Roboter, die in den 80er Jahren von Marc Raibert am MIT Leg Laboratory gebaut wurden, zeigten ein sehr dynamisches Gehen. Anfangs konnte ein Roboter mit nur einem Bein und einem sehr kleinen Fuß einfach durch Hüpfen aufrecht bleiben. Die Bewegung ist die gleiche wie die einer Person auf einem Pogo-Stick. Wenn der Roboter zur Seite fällt, springt er leicht in diese Richtung, um sich zu fangen. Bald wurde der Algorithmus auf zwei und vier Beine generalisiert. Ein zweibeiniger Roboter wurde beim Laufen und sogar beim Durchführen von Purzeln demonstriert. Es wurde auch ein Vierbeiner demonstriert, der traben, rennen, auf und ab gehen konnte. Eine vollständige Liste dieser Roboter finden Sie auf der MIT Leg Lab Robots-Seite.

Dynamisches Auswuchten (kontrolliertes Fallen)
Ein fortgeschrittener Weg für das Gehen eines Roboters besteht in der Verwendung eines dynamischen Auswuchtalgorithmus, der möglicherweise robuster als die Zero Moment Point-Technik ist, da er ständig die Bewegung des Roboters überwacht und die Füße positioniert, um die Stabilität zu erhalten. Diese Technik wurde kürzlich von Anybots ‘Dexter Robot demonstriert, der so stabil ist, dass er sogar springen kann. Ein anderes Beispiel ist die TU Delft Flame.

Passive Dynamik
Der vielversprechendste Ansatz nutzt möglicherweise die passive Dynamik, bei der der Impuls schwingender Gliedmaßen für mehr Effizienz genutzt wird. Es hat sich gezeigt, dass völlig unbetätigte humanoide Mechanismen einen sanften Hang hinunterlaufen können und nur die Schwerkraft verwenden, um sich selbst anzutreiben. Bei dieser Technik muss ein Roboter nur eine geringe Motorleistung bereitstellen, um auf einer ebenen Fläche zu laufen, oder etwas mehr, um einen Hügel hinaufzugehen. Diese Technik verspricht, Laufroboter mindestens zehnmal so effizient wie ZMP-Wanderer wie ASIMO zu machen.

Andere Fortbewegungsmittel

Fliegend
Ein modernes Passagierflugzeug ist im Wesentlichen ein fliegender Roboter, der von zwei Menschen gesteuert wird. Der Autopilot kann das Flugzeug für jede Etappe der Reise steuern, einschließlich Start, normalem Flug und sogar Landung. Andere Flugroboter sind unbewohnt und werden als unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) bezeichnet. Sie können kleiner und leichter sein, ohne dass ein menschlicher Pilot an Bord ist, und fliegen für militärische Überwachungsmissionen in gefährliches Gebiet. Einige können sogar auf Ziele unter Befehl schießen. Außerdem werden UAVs entwickelt, die auf Ziele automatisch feuern können, ohne dass ein menschlicher Befehl erforderlich ist. Weitere Flugroboter sind Cruise Missiles, der Entomopter und der Micro-Hubschrauber-Roboter Epson. Roboter wie der Air Penguin, Air Ray und Air Jelly haben leichtere Körper, die von Paddeln angetrieben und von Sonar gesteuert werden.

Schlängeln
Mehrere Schlangenroboter wurden erfolgreich entwickelt. Diese Roboter ähneln der Art und Weise, wie sich echte Schlangen bewegen, können durch sehr enge Räume navigieren, was bedeutet, dass sie eines Tages für die Suche nach Menschen verwendet werden können, die in einem eingestürzten Gebäude eingeschlossen sind. Der japanische ACM-R5-Schlangenroboter kann sogar zu Lande und zu Wasser navigieren.

Skaten
Eine kleine Anzahl von Skaterobotern wurde entwickelt, von denen einer ein Multi-Mode-Lauf- und Skatinggerät ist. Es hat vier Beine mit nicht angetriebenen Rädern, die entweder springen oder rollen können. Ein anderer Roboter, Plen, kann ein Miniatur-Skateboard oder Rollschuhe verwenden und über einen Desktop laufen.

Klettern
Es wurden verschiedene Ansätze verwendet, um Roboter zu entwickeln, die in der Lage sind, vertikale Oberflächen zu besteigen. Ein Ansatz ahmt die Bewegungen eines menschlichen Kletterers an einer Wand mit Vorsprüngen nach; Einstellen des Massenschwerpunkts und Bewegen jedes Gliedes, um Hebelwirkung zu erzielen. Ein Beispiel dafür ist Capuchin, gebaut von Dr. Ruixiang Zhang an der Stanford University, Kalifornien. Ein anderer Ansatz verwendet die spezialisierte Zehenpolstermethode zum Wandklettern von Geckos, die auf glatten Oberflächen wie vertikalem Glas laufen können. Beispiele für diesen Ansatz sind Wallbot und Stickybot. Chinas Technology Daily berichtete am 15. November 2008, dass Dr. Li Hiu Yeung und seine Forschungsgruppe von New Concept Aircraft (Zhuhai) Co., Ltd. erfolgreich einen bionischen Gecko-Roboter namens “Speedy Freelander” entwickelt hatten. Laut Dr. Li könnte der Gecko-Roboter schnell verschiedene Gebäudewände auf- und absteigen, durch Boden- und Wandspalten navigieren und an der Decke kopfüber laufen. Es war auch in der Lage, sich den Oberflächen von glattem Glas, rauen, klebrigen oder staubigen Wänden sowie verschiedenen Arten von metallischen Werkstoffen anzupassen. Es könnte auch Hindernisse automatisch erkennen und umgehen. Seine Flexibilität und Geschwindigkeit waren vergleichbar mit einem natürlichen Gecko. Ein dritter Ansatz besteht darin, die Bewegung einer Schlange nachzuahmen, die auf eine Stange klettert.

Schwimmen (Piscine)
Es wird berechnet, dass beim Schwimmen einige Fische eine Vortriebsleistung von mehr als 90% erreichen können. Darüber hinaus können sie weitaus besser beschleunigen und manövrieren als jedes künstliche Boot oder U-Boot, und sie verursachen weniger Lärm und Wasserstörungen. Daher möchten viele Forscher, die Unterwasser-Roboter untersuchen, diese Art der Fortbewegung kopieren. Bemerkenswerte Beispiele sind der Essex University Computer Science Robotic Fish G9 und der vom Institut für Feldrobotik gebaute Robot Thunfisch zur Analyse und mathematischen Modellierung dreieckiger Bewegungen. Der von Festo entworfene und gebaute Aqua Penguin kopiert die stromlinienförmige Form und den Vortrieb durch vordere “Flossen” von Pinguinen. Festo hat auch Aqua Ray und Aqua Jelly gebaut, die die Fortbewegung von Mantarochen und Quallen nachahmen.

Im Jahr 2014 wurde iSplash-II von den Doktoranden Richard James Clapham und Prof. Huosheng Hu an der Essex University entwickelt. Es war der erste Roboterfisch, der in der Lage ist, echte carangiforme Fische in Bezug auf durchschnittliche Höchstgeschwindigkeit (gemessen in Körperlänge / Sekunde) und Ausdauer zu übertreffen, wobei die Höchstgeschwindigkeit erhalten bleibt. Dieser Aufbau erreichte Schwimmgeschwindigkeiten von 11,6 BL / s (dh 3,7 m / s). Der erste Build, iSplash-I (2014), war die erste Roboterplattform, die eine carangiforme Schwimmbewegung für den gesamten Körper anwendete, bei der die Schwimmgeschwindigkeit gegenüber dem traditionellen Ansatz einer hinteren Wellenform um 27% erhöht wurde.

Segeln
Segelbootroboter wurden ebenfalls entwickelt, um Messungen an der Meeresoberfläche vorzunehmen. Ein typischer Segelbootroboter ist der von IFREMER und ENSTA-Bretagne gebaute Vaimos. Da der Antrieb von Segelbootrobotern den Wind nutzt, wird die Energie der Batterien nur für den Computer, für die Kommunikation und für die Aktuatoren (zur Einstellung des Ruders und des Segels) verwendet. Wenn der Roboter mit Sonnenkollektoren ausgestattet ist, könnte der Roboter theoretisch für immer navigieren. Die beiden wichtigsten Wettkämpfe für Segelbootroboter sind WRSC, die jedes Jahr in Europa stattfindet, und Sailbot.

Steuerung
Die mechanische Struktur eines Roboters muss gesteuert werden, um Aufgaben auszuführen. Die Steuerung eines Roboters umfasst drei verschiedene Phasen – Wahrnehmung, Verarbeitung und Aktion (Roboter-Paradigmen). Sensoren geben Informationen über die Umgebung oder den Roboter selbst (z. B. die Position seiner Gelenke oder seines Endeffektors). Diese Informationen werden dann verarbeitet, um gespeichert oder übertragen zu werden und um die entsprechenden Signale an die Stellglieder (Motoren) zu berechnen, die die Mechanik bewegen.

Die Verarbeitungsphase kann in der Komplexität variieren. Auf reaktiver Ebene kann es rohe Sensorinformationen direkt in Stellgliedbefehle übersetzen. Die Sensorfusion kann zuerst verwendet werden, um interessierende Parameter (z. B. die Position des Greifers des Roboters) aus verrauschten Sensordaten abzuschätzen. Eine unmittelbare Aufgabe (z. B. Bewegen des Greifers in eine bestimmte Richtung) wird aus diesen Schätzungen abgeleitet. Techniken aus der Steuerungstheorie wandeln die Aufgabe in Befehle um, die die Stellglieder antreiben.

Bei längeren Zeitmaßstäben oder bei komplexeren Aufgaben muss der Roboter möglicherweise ein “kognitives” Modell erstellen und begründen. Kognitive Modelle versuchen, den Roboter, die Welt und ihre Interaktion darzustellen. Mustererkennung und Computer Vision können verwendet werden, um Objekte zu verfolgen. Kartierungstechniken können verwendet werden, um Karten der Welt zu erstellen. Schließlich können Bewegungsplanung und andere Techniken der künstlichen Intelligenz verwendet werden, um herauszufinden, wie sie handeln sollen. Ein Planer kann beispielsweise herausfinden, wie er eine Aufgabe löst, ohne auf Hindernisse zu stoßen, umzufallen usw.

Autonomiestufen
Steuersysteme können auch unterschiedliche Autonomiegrade aufweisen.

Die direkte Interaktion wird für haptische oder teleoperierte Geräte verwendet, und der Mensch hat die Bewegungsfreiheit des Roboters nahezu vollständig.
In den Bedienerassistenzmodi kann der Bediener mittlere bis hohe Aufgaben ausführen, wobei der Roboter automatisch herausfindet, wie er sie erreichen kann.
Ein autonomer Roboter kann längere Zeit ohne menschliche Interaktion auskommen. Ein höheres Maß an Autonomie erfordert nicht unbedingt komplexere kognitive Fähigkeiten. Beispielsweise sind Roboter in Montagewerken vollständig autonom, arbeiten jedoch in einem festen Muster.

Eine andere Klassifizierung berücksichtigt die Interaktion zwischen der menschlichen Kontrolle und den Maschinenbewegungen.

Teleoperation. Ein Mensch steuert jede Bewegung, jeder Maschinenaktuatorwechsel wird vom Bediener festgelegt.
Aufsicht Ein Mensch gibt allgemeine Bewegungen oder Positionsänderungen an und die Maschine bestimmt bestimmte Bewegungen ihrer Stellglieder.
Autonomie auf Aufgabenebene. Der Bediener gibt nur die Aufgabe an, und der Roboter verwaltet sich selbst, um sie abzuschließen.
Volle Autonomie. Die Maschine erstellt und erledigt alle Aufgaben ohne menschliche Interaktion.