Mobile Roboter | eine Jahresarbeit

4. Hardware

4.1. Aktoren

4.1.1. Verschiedene Aktoren

Als Roboter werden nur intelligente Maschinen bezeichnet, die sich auch bewegen können (siehe Kapitel „Was ist ein Roboter?“). Doch ihre Bewegungen können von unterschiedlichster Art sein: Einige bewegen ein oder mehrere Arme, andere müssen die Beine zum Laufen bringen oder eben auch Räder oder Ketten bewegen. Es gibt grundlegend verschiedene technische Lösungen Dinge in Bewegung zu versetzen. Die Geräte, die Bewegungen erzeugen werden als Aktoren bezeichnet. Am gebräuchlichsten sind Elektromotoren, es gibt aber auch Pneumatik- und Hydrauliksysteme, welche durch Luft- oder Öldruck Kolben bewegen. Die Hydrauliktechnik ist etwas aufwendiger als die Pneumatik, weil man für das Öl ein Rückflusssystem benötigt, die Luft kann dagegen einfach entweichen. Die Pneumatiktechnik wird vor allem für Roboterhände eingesetzt. Kleine leichte Roboterkäfer werden gern mit sogenannten Muskeldrähten voranbewegt. Die Muskeldrähte werden Nitinol-Drähte genannt und besitzen die wunderbare Eigenschaft, dass sie sich bei Erwärmung in ihren vorherigen Zustand bewegen, werden sie wieder kalt begeben sie sich in den „aufgezwängten“ Zustand zurück. Dieses Material wurde von der amerikanischen Rüstungsindustrie 1932 entwickelt und besteht aus einer Nickel-Titan-Verbindung, woraus auch der Kunstname Nitinol abgleitet ist. Heutzutage laufen Forschungen um künstlich Muskeln aus Kunststoffen herzustellen Aber nun zurück zu den Elektromotoren.

Bei den Elektromotoren gibt es zwei grundlegend verschiedene Arten: Einmal die einfachen Motoren, die mit Gleichstrom betrieben werden und sich mit recht hohen Drehzahlen zwischen 5.000 und 20.000 UpM drehen, und die so genannten Schrittmotoren. Schrittmotoren drehen sich nicht einfach, wie es die einfachen Motoren machen, sondern sie bewegen sich, wie der Name schon sagt, schrittweise. In Schrittmotoren befindet sich ein magnetischer Anker, der drehbar gelagert ist und von mehreren feststehenden Spulen umgeben wird. Durch das Anlegen einer Spannung an einzelne Spulen ergeben sich stabile Stellungen, die schrittweise umgeschaltet werden können. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Winkelstellung immer bekannt ist. Ein Schritt beträgt bei den meisten Motoren 5°, das heißt, der Motor muss, um sich eine Umdrehung zu drehen, 72 Schritte machen. Dadurch ist ein genaues Mitzählen der Schritte bzw. Umdrehungen möglich. Man unterscheidet noch zwischen Bi-Polaren und Uni-Polaren Schrittmotoren, die sich in ihrem inneren Aufbau und damit im Ansteuerprinzip unterschieden.

4.1.2. Schrittmotoren

Ich verwende zwei unipolare Schrittmotoren als Aktoren, es sind recht kleine Motoren welche ca. 200 Schritte pro Umdrehung machen, was einem Schrittwinkel von rund 1,8° entspricht. Sie werden über eine Leistungsstufe (siehe Kapitel „7.3. Motorleistungsstufe“) direkt aus dem Microcontroller angesteuert. Dies geschieht mit Hilfe eines 8-Bit breiten Ports (siehe Kapitel „2. Einblick in die Digitale Welt“), der das Bitmuster für die beiden Motoren ausgibt. Die unipolaren Schrittmotoren können in zwei verschiedenen Varianten angesteuert werden: Bei der ersten Variante wird immer nur eine Spule angesteuert, bei der zweiten Variante werden immer zwei benachbarte Spulen gleichzeitig angesteuert, wodurch sich die Kraft (der Drehmoment) erhöht und der Stromverbrauch verdoppelt.

Da die Motoren leider etwas schwächer sind als ich ursprünglich annahm, ist die 2. Ansteuervariante notwendig geworden. Sie werden mit 100 Impulsen / sec. angesteuert, was einer Geschwindigkeit von 0,5 U / sec. entspricht. In diesem bereich erreichen die Motoren das höchste Drehmoment und laufen flüssig, die einzelnen Schritte sind nicht mehr spürbar.

4.2. Sensoren

Sensoren sind das Bindeglied zwischen der gegenständlichen Welt und dem Inneren eines Roboters. Bei Mensch und Tier nennt man sie Sinnesorgane oder Rezeptoren. Man unterscheidet beim Menschen und somit auch bei Robotern zwischen externen und internen Sensoren. Interne Sensoren erfassen die Innen Zustände wie z.B. Gelenkstellungen. Im Weiteren werden nur externe Sensoren betrachtet, da ich keine internen Sensoren verwende.

Externe Sensoren dienen dazu bestimmte Zustände oder Reize im äußeren Umfeld des Roboters wahrzunehmen und diese in ein elektrisches Signal umzuwandeln, da ein Roboter nur elektrische Signale als Information für sich verwenden kann.

Sensortechnik ist ein eigener Bereich der Forschung und noch längst nicht soweit herangereift, dass Sensoren, welcher Art auch immer, mit ihren meist natürlichen Vorbildern mithalten können. Ein sehr gutes Beispiel für die Feinfühligkeit menschlicher Sensoren (Rezeptoren) ist die menschliche Hand. Allein in einem einzigen Quadratzentimeter einer Fingerkuppe befinden sich ungefähr 140 „Drucksensoren“ (Meissnersche Tastkörperchen), die mit einer Vielzahl anderer Rezeptoren z.B. das Analysieren einer Oberfläche möglich machen. So eine Vielzahl von Sensoren kann man an einem Robotergreifarm schon aus Platzgründen nicht auf so kleinem Raum anbringen, wodurch nicht annähernd eine so hohe Auflösung erreicht werden kann. Außerdem sprechen die menschlichen und tierischen Rezeptoren auf größere Reizspektren an und es werden meistens verschiedene Rezeptoren bei ein und demselben Reiz angesprochen.

Für einen Roboter, der sich in unbekanntem Raum bewegen soll, ist das Erkennen und Umfahren von Hindernissen eine der wichtigsten Aufgaben. Um dies zu bewältigen, ist es notwendig das Hindernis zu erkennen, bevor von ihm eine Gefahr, wie z.B. ein Zusammenstoß, ausgehen kann. Rein theoretisch muss der Roboter seine komplette Umgebung berührungslos „abtasten“ um frühzeitig auf eventuelle Hindernisse reagieren zu können. Inzwischen gibt es eine ganze Reihe verschiedener Techniken um diese Aufgabe zu bewältigen.

Eine im Roboterbau recht verbreitete Technik zur berührungslosen Distanzmessung sind Ultraschallsonare. Das natürliche Vorbild der Distanzmessung mit Ultraschallwellen geben die Fledermäuse ab. Da sie keinerlei Augen oder Ähnliches besitzen, navigieren sie ausschließlich mit Hilfe von Tönen des Ultraschallbereiches durch ihre Höhlen.

Die ersten Sonare wurden für Torpedos entwickelt und später serienmäßig in Polaroidkameras verbaut. Sie waren damals die besten auf dem Markt erhältlichen Sonargeräte und wurden bald für den Roboterbau entdeckt. Jahrelang kauften Robotiker Polaroidkameras nur um die Sonare auszuschlachten, der Rest wurde weggeworfen.

Ein Sonargerät besteht aus einem Sender und einem Empfänger. Wie der Name schon sagt sendet der Sender Ultraschallwellen aus, normalerweise um die 40 kHz, welche von Gegenständen reflektiert werden und somit von dem Empfänger wieder empfangen werden können. Dieses System Arbeitet unabhängig von der Farbe und Oberflächenbeschaffenheit der Gegenstände und ist somit relativ zuverlässig. Unter anderem wird es zur Zeit in den Einparkhilfen von Autos verwendet. Es kommt aber schnell zu Problemen, wenn das Hindernis sich nicht im richtigen Winkel zu dem Sonargerät befindet, da dann die Wellen nicht genau zurückreflektiert werden können (Einfallwinkel gleich Ausfallwinkel).

Eine ebenfalls häufig angewendete Alternative sind Infrarotlichtsensoren (kurz: IR-Sensoren). Im Grunde genommen arbeiten sie genauso wie ein Sonargerät, nur dass sie keine Ultraschallwellen sondern Licht senden bzw. empfangen. Infrarotlicht, wie es in der Sensortechnik eingesetzt wird, hat eine Wellenlänge von rund 850 nm bis 950 nm und ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Da in dem Licht vieler Lichtquellen, wie der Sonne und Lampen, auch ein Infrarotlichtanteil enthalten ist, muss man in der Sensortechnik mit Trägerfrequenzen arbeiten um anderes Licht als Störungsfaktoren auszuschleißen. Das heißt, dass man moduliertes Licht aussendet, und der Empfänger mit Hilfe spezieller Filterschaltungen nur auf dieses Licht mit einer Signalausgabe reagiert. Im Gegensatz zu Ultraschall wird IR-Licht nicht von allen farbigen Oberflächen gleich reflektiert. Helle oder sogar spiegelnde Oberflächen reflektieren das Licht wesentlich intensiver als z.B. mattschwarze Oberflächen. Dadurch kann es bei der Distanzermittlung zu Problemen kommen, was sich speziell bei einem fahrenden Roboter in einem zu dichten Auffahren oder einem Zusammenstoß äußern kann.

Inzwischen gibt es eine ganze Reihe optischer Sensoren, die z.B. mit Laser arbeiten. Mit ihnen ist eine millimetergenaue Distanzbestimmung möglich, aber auf diese möchte ich hier nicht weiter eingehen.

Die neuste Technik, die für die Roboternavigation genutzt wird, ist die digitale Bildauswertung. Man benötigt eine Digitalkamera, deren Bilder dann von aufwendiger Software z.B. nach Formen und Farben ausgewertet werden. Mit Hilfe dieser vielversprechenden Technik ist es unter anderem möglich Tennisbälle auf einer Wiese zu erkennen. Es ist wahrscheinlich noch sehr viel Entwicklungspotential vorhanden. Um in diese sehr interessante Technologie einzusteigen, reicht eine Jahresarbeit aber nicht aus.

Ich habe mich für die IR-Sensoren entschieden, wobei nicht zuletzt der Preis eine Rolle spielte. Ein ebenfalls wichtiges Kriterium ist die Anordnung der Sensoren auf dem Roboter. Es gibt zwei verschiedene Arten die Sensoren anzuordnen. Eine Möglichkeit ist, einen Sensor auf einem drehbaren Untersatz zu montieren, welcher synchron zur Drehbewegung ausgelesen wird. Dadurch kann man ein sektorenartiges Rundumbild erstellen, indem alle Bereiche erfasst werden. Die Alternative ist ein Sensorengürtel, der den Roboter umgibt. Um mit dieser Variante alle Bereiche zu erfassen, benötigt man natürlich wesentlich mehr Sensoren, die dann in einer bestimmten Reihenfolge ausgelesen werden können. Hier entschied ich mich für die „Gürtelvariante“, da mir dieses Prinzip von der Sensordatenauswertung her wesentlich einfacher erscheint, und man keinen mechanischen Aufwand betreiben muss. Mein Roboter hat also insgesamt acht IR-Sensoren, fünf von ihnen im vorderen Bereich, zwei hinten und einen unten, der einen eventuellen Absturz verhindern soll.

4.3. Der Microcontroller

Microcontroller sind sehr kleine Computer, die uns in unserem alltäglichen Leben ständig und fast überall umgeben: Ob es sich um die Benzineinspritzung, ABS, ESP oder Airbag Ihres Autos handelt, oder die Waschmaschine, Spülmaschine, Staubsauger, Elektroherd, Mikrowelle, Telefon, Fax, Fotoapparat, Fernseher, Videorekorder, HiFi-Anlage zu Hause; viele Geräte werden mit Hilfe verschiedener Microcontroller gesteuert. Dank der rasanten Entwicklung der Chip-Technologie, ist es möglich schon recht leistungsfähige Prozessoren und Speicher sehr klein und billig herzustellen.

Ein Microcontroller besteht im Wesentlichen aus drei Einheiten: Einem Prozessor (CPU), einem Arbeitsspeicher (RAM), und einem Programmspeicher (ROM). Dazu kommen noch andere kleinere Bauteile wie z.B. ein Timer.

4.3.1. Der Microcontroller R167-JIF

Ich verwende den Microcontroller R167-JIF mit einem SAB C167CR-LM Prozessor von Siemens. Die C167 Prozessoren sind sehr leistungsstarke 16-Bit single-chip Prozessoren für CMOS Microcontroller. Der R167-JIF ist ein 2,5 × 3,5 Zoll großes und 6-layered (engl.,geschichtet) industrial board, was stufenweise gedruckt wurde und für laute Einsatzumgebungen geeignet ist.

Der Prozessor SAB C167CR-LM arbeitet intern mit einem Takt von 20 MHz, und besitzt 4 KB internen RAM. Er verfügt weiterhin über einen 16-Channel 10-Bit Analog-to-Digital converter (enhances operation modes), acht 16-Bit timer, eine watchdog timer, 32 channels CAPCOM (CAPture / COMpare unit), 8 channels PEC (data transfer channel) und 4 PWM channels. Auf dem Microcontroller R167-JIF stehen weitere 512 KB externer RAM und 512 KB externen FLASH EEPROM zur Verfügung. Es gibt insgesamt 5 I/O Ports, die für beliebige Anwendungen zur Verfügung stehen, zwei sind 8-Bit, drei 16-Bit breit. Zur Kommunikation mit einem PC dient die serielle Schnittstelle RS232, zum Vernetzen steht ein CAN-Bus bereit.

4.3.2. Anschlussbelegung

An Port 7 (8-Bit Port), Pin 0 wird eine Frequenz von 40 kHz ausgegeben. Sie dient zum modulieren des IR-Lichtes (Siehe Kapitel „7.2. Sensoransteuerung“). Die Sensordaten werden von Port 5 (16-Bit Port), Pin 0 bis 7 eingelesen. Der Port 8 (8-Bit Port) gibt die Ansteuersignale für die Schrittmotoren aus, er ist damit voll belegt.