Was sind die Hauptkomponenten von Robotern?

Automaten – von den meisten besser als Roboter bekannt – sind seit langem Teil des menschlichen kollektiven Unbewussten.

Die alten Hebräer und Griechen bezogen sich beide auf Golems und mechanische Assistenten, um den Menschen bei ihren Bestrebungen zu helfen. Das Wort Roboter erschien in der Literatur erst 1921 in Karel Capeks Stück “Rossums Universal Robots.” 1926 wurde der Film “Metropolis” das erste bewegte Bild, das einen menschlich aussehenden Roboter auf der Leinwand darstellte.

Roboter sind heute ein Teil unseres täglichen Lebens. Auch wenn wir uns nicht kreuzen, arbeiten Roboter jetzt in unseren Lagern und Montagewerken, erkunden ferne Planeten, helfen uns bei der Inspektion unserer Infrastrukturstandorte und bauen sogar brandneue.

Aber wie funktionieren Roboter eigentlich? Was sind die Hauptkomponenten eines Roboters und wie tragen sie zu seiner Gesamtfunktionalität bei? Hier ist ein Crashkurs in den Teilen, die Roboter zum Ticken bringen.

1. Zentraleinheit

Eine der Hauptkomponenten eines Roboters ist eine Hauptkomponente in jeder computergesteuerten Technologie: die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU). Die CPU fungiert als “Gehirn” des Roboters. Mit anderen Worten, eine CPU ist die Roboterkomponente, die Feedback zu äußeren Reizen liefert.

Alle Organismen funktionieren und überleben durch Rückkopplung. Es ist das, was uns dazu bringt, unsere Hand wegzuschlagen, nachdem wir einen heißen Ofen berührt haben. Die CPU in einem Roboter nimmt Umgebungsdaten mithilfe von Sensoren auf und ruft dann ihre Programmierung auf, um die entsprechende Aktion auszuführen.

Eines der frühesten Beispiele für die Verwendung von Feedback zur Steuerung einer Maschine stammt aus dem Jahr 1745, als Edmund Lee den automatischen Fantail erfand. Diese Vorrichtung bestand aus kleineren Schaufeln, die an der Achse einer größeren Windmühle befestigt waren und die Richtung der Windmühle abhängig vom Wind änderten. Dieses einfache System mag weit entfernt von den heutigen CPUs sein, aber die Kernidee, nach dem Feedback von außen zu funktionieren, bleibt gleich.

CPUs funktionieren ähnlich wie das menschliche Gehirn. Daten kommen über Sensoren, genauso wie Informationen über die Sinne Ihres Körpers zu den Neuronen in Ihrem Gehirn gelangen, dann interpretiert und handelt die CPU entsprechend.

2. Sensoren

Das bringt uns zur nächsten Schlüsselkomponente eines jeden Roboters: Sensoren. Sensoren sind das Kraftpaket des Rückkopplungsmechanismus eines Roboters. Sie fungieren als “Augen” und “Ohren”, um dem Roboter zu helfen, Informationen über seine Umgebung aufzunehmen. Roboter enthalten normalerweise eine breite Palette von Sensortypen, um ihnen bei der Ausführung ihrer Arbeit zu helfen. Dazu gehören:

• Licht sensoren
• Sound sensoren
• Temperatur sensoren
• Kontaktieren sensoren
• Proximity sensoren
• Abstand sensoren
• Druck sensoren
• Positionierung sensoren

Kontakt- und Näherungssensoren helfen Robotern, sicherer und sicherer zu navigieren, insbesondere wenn sie neben menschlichen Arbeitern eingesetzt werden. Drucksensoren können die Griffstärke eines angetriebenen Roboterarms steuern, so dass er die Ware, die er verarbeitet, nicht zerquetscht.

Positionierungssensoren umfassen GPS, digitale Magnetkompasse und andere Werkzeuge, um den Standort eines Roboters in Innenräumen oder im Freien zu bestimmen. Einige Roboter navigieren ihre Umgebung auch durch Vision-Sensoren, die wie Augen funktionieren. Kameras speisen visuelle Informationen ein, dann analysiert ein Prozess der künstlichen Intelligenz (KI) namens Machine Vision das Videomaterial, um Objekte zu erkennen und den Roboter zu führen.

Eine neuere, aber immer beliebter werdende Art von Robotersensor sind propriozeptive Sensoren. Diese Komponenten überwachen die internen Faktoren eines Roboters wie Wärme, elektrischen Strom und Batterielebensdauer. Da Roboter oft teuer sind, müssen Unternehmen den Überblick über ihre Wartung behalten, und diese Informationen helfen ihnen dabei.

3. Aktuatoren

Wenn Sensoren die Augen und Ohren des Roboters sind, funktionieren seine Aktuatoren wie Muskeln. Aktuatoren sind kleine Motoren, die direkt an der Struktur des Roboters befestigt sind und die Bewegung erleichtern. Einige der häufigsten Arten sind:

• Hydraulisch: Verwendet Öl, um die Bewegung zu erleichtern.
• Pneumatisch: Verwendet Luft, um die Bewegung zu erleichtern.
• Elektrisch: Verwendet elektrischen Strom und Magnete, um die Bewegung zu erleichtern.

Hydraulische Aktuatoren treten typischerweise in schweren Maschinen, einschließlich Bergbau- und Baumaschinen, auf, da sie viel Kraft erzeugen und relativ einfach zu warten sind. Pneumatische Stellantriebe haben viele der gleichen Vorteile und sind oft kostengünstiger, aber sie sind vibrationsempfindlich. Sie sind eine beliebte Wahl für die Herstellung und andere stabile Innenräume.

Elektrische Stellantriebe sind heute mit Abstand der häufigste Typ. Sie bieten mehr Kontrolle, haben weniger Umweltgefahren, machen wenig bis gar keinen Lärm und sind einfach zu programmieren.

Einige der einfachsten Roboter bestehen aus wenig mehr als einem Arm, einem Aktuator und einem Werkzeug zur Ausführung von Arbeiten. Komplexere Roboter können Aktuatoren verwenden, um Laufflächen, Räder oder sogar Beine in Bewegung zu setzen.

Wenn Roboter eingesetzt werden, um heikle Aufgaben zu erledigen, die Feinheiten und Genauigkeit erfordern, können Schrittmotoren verwendet werden. Dies sind unterschiedliche Motordesigns, die eine Bewegung in bestimmten Intervallen auf sehr wiederholbare Weise ermöglichen.

Die Fähigkeit, durch Roboter und Schrittmotoren gleichbleibend hochwertige Ergebnisse zu erzielen, ist einer der Gründe, warum die Robotermontage in den 1960er Jahren so stark an Fahrt gewann und nie langsamer wurde.

4. Endeffektoren

Eine weitere Eigenschaft, die die meisten Roboter gemeinsam haben, sind Endeffektoren. Die Begriffe “Effektor” und “Endeffektor” werden manchmal synonym verwendet. Beide Begriffe beziehen sich auf die Werkzeuge an Bord des Roboters — also die Werkzeuge, die die eigentliche Arbeit ausführen und mit der Umgebung oder einem Werkstück interagieren. Hier einige Beispiele:

• Fabrikroboter können über Endeffektoren wie Schweißbrenner, Schraubendreher, Nietpistolen und Farbspritzgeräte verfügen.
• Mobile Roboter verfügen in der Regel über Manipulatoren und Greifer zum Heben von Gegenständen oder zur Entsorgung gefährlicher Abfälle.
• Roboter, wie sie zu anderen Planeten geschickt werden, können Schaufeln, Bohrer, Hämmer, Kameras, Lichter und andere analytische Geräte tragen.

Effektoren von einfach bis komplex ermöglichen es Robotern, ihre spezifischen Aufgaben präzise auszuführen. Einige der neuesten Robotertechnologien verwenden beispielsweise winzige Skalpelle, Hände und Kameras am Ende ihrer Arme, um Operationen durchzuführen. Diese präzisen Werkzeuge in Kombination mit der Stabilität und dem Bewegungsumfang der Roboter machen die Chirurgie sicherer und weniger invasiv. Einige Roboter können Operationen mit nur einem 25-mm-Einschnitt durchführen, der für einen Menschen viel zu klein wäre.

5. Stromversorgung

So wie Menschen Nahrung konsumieren, wenn sie Energie benötigen, benötigen auch Roboter Energie, um zu funktionieren. Fast alle Roboter beziehen ihre Energie aus Elektrizität.

Stromversorgungen können jedoch immer noch viele verschiedene Formen annehmen. Stationäre Roboter, wie die in Fabriken, erhalten wie jedes andere Gerät direkten Strom. Mobile Roboter verfügen in der Regel über Hochleistungsbatterien, während Robotersonden und Satelliten im Allgemeinen mit Sonnenkollektoren ausgestattet sind, um Energie aus der Sonne zu gewinnen.

Da Energieeinsparung zu einem dringenderen Thema geworden ist, verfügen viele Roboter heute über Energiesparfunktionen. Einige wechseln je nach Verwendung automatisch in einen Energiesparmodus, andere verwenden einzigartige Designs, um mechanische Bewegungen zu minimieren, und andere verwenden grüne Energiequellen. Wenn sich dieser Trend fortsetzt, werden weitere neuartige Möglichkeiten zur Reduzierung des Stromverbrauchs von Robotern entstehen.

6. Ein Programm

Die Programmierung eines Roboters ist keine physische Komponente, aber dennoch ein wesentlicher Bestandteil des Ganzen. Jede der Komponenten von Robotern, die wir uns heute angesehen haben, nimmt entweder Reize auf oder liefert eine Form von Feedback. Das Programm innerhalb eines Roboters liefert die Logik, die diese Verhaltensweisen antreibt.

Möglicherweise sind Sie mit Automatisierungsrezepten vertraut, einschließlich der Funktion “Wenn dies dann das”. Es ist ein Konzept, das jeder mit seinen Smartphones und Smart Homes erkunden kann. Roboter enthalten ebenfalls “Logikbäume”, die Aufgaben- und Umgebungsdaten sammeln und analysieren und dann basierend auf diesem Stimulus eine geeignete Antwort auswählen.

Zum Beispiel: Nähert sich ein Roboter einem steilen Abhang, fährt er automatisch zurück. Eine Robotersonde, die eine andere Welt erkundet, kann ein anderes Werkzeug aktivieren, je nachdem, was ihre Kameras und Sensoren um sie herum erkennen.

Andere Roboterprogrammierungsbeispiele sind weiter fortgeschritten. Die neueste Robotertechnologie verwendet maschinelles Lernen, das nachahmt, wie Menschen lernen. Diese Roboter nehmen ständig Kenntnis von verschiedenen Situationen und Situationen, denen sie begegnen, und lernen von ihnen. Je länger sie arbeiten, desto mehr lernen sie und werden immer genauer und hilfreicher.

Selbstfahrende Autos sind ein Beispiel für Robotersysteme, die maschinelles Lernen nutzen. Wenn Unternehmen diese Fahrzeuge auf der Straße testen, stoßen sie unter mehr Bedingungen auf mehr Hindernisse und lernen, sie besser zu identifizieren. Ohne maschinelles Lernen erkennen diese Autos möglicherweise nicht jedes Objekt, dem sie begegnen, was gefährlich sein könnte.

Menschliche Entscheidungsfindung geschieht schnell genug, dass wir uns normalerweise nicht bewusst sind, Entscheidungen im Moment zu treffen. Das gleiche allgemeine Konzept gilt, um Roboter dazu zu bringen, bestimmte Aufgaben unter unsicheren Umständen auszuführen, alles ohne viel oder irgendeine menschliche Interaktion.

Roboter und Fortschritt verflochten

Roboter sind seit langem ein Leitstern für den Marsch des technologischen Fortschritts. Frühe Versuche mit Robotern sehen jetzt haltlos und ungeschickt aus, wenn man die Beweglichkeit von etwas wie Boston Dynamics ‘Roboterhund “Spot ” betrachtet.” Weit entfernt von einem Spielzeug, ist dieser $ 74.500 Roboter in der Lage, “fast unbegrenzte” Anwendungen, nach Boston Dynamics Sprecher, von schweren Lasten zu ziehen, um die automatisierte Überwachung von Privateigentum durchzuführen.

Der Marsch geht weiter. In den kommenden Jahren werden Roboter noch vielfältigere Formen annehmen und viel mehr Aufgaben erledigen als heute. Von der Durchführung von Aufgaben für kleine Unternehmen bis hin zum Bau und der Wartung einiger der beeindruckendsten Strukturen der Welt – wenn es etwas zu inspizieren, herzustellen oder zu tragen gibt, gibt es wahrscheinlich einen Roboter dafür.