Matthias Haun. Handbuch Robotik. Programmieren und Einsatz intelligenter Roboter. Mit 158 Abbildungen. Sprin ger

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1 Matthias Haun Handbuch Robotik Programmieren und Einsatz intelligenter Roboter Mit 158 Abbildungen Sprin ger

2 Inhaltsverzeichnis 1 Anstelle einer Einleitung Artifizielle Wesen Roboter als integraler Bestandteil der Lebenswelt Serviceroboter Industrieroboter Robotersystem im Dienste der Medizin Robotersystem im Alltag und bei Spass und Spiel Humanoide Roboter Animaten und Biorobotik Intelligente Robotersysteme Klassifikation Allgemeiner Aufbau eines Robotersystems 25 2 Modellierung von Robotersystemen System Systembegriff Systemtheorie Systemvarianten Modell Modellbegriff Modelltheorie Modellvarianten Modellierung Simulation Modellsimulationen Robotersimulationsysteme Architekturmodell Sensoren-Brainware-Aktoren-Einheit Mentale Strukturen 88 3 Systemische Interaktionstheorie Ausgangsposition Ziele Roboter als interaktionsbasierte Systeme Systemische Interaktion Interaktion als System Definition des Interaktionsbegriffes Navigation von Robotersystemen Kommunikation und Interaktion von Robotersystemen 110

3 XIV Inhaltsverzeichnis 3.5 Aktionsanalyse Wissensbasierte Aktionsebenen Funktionaler Ansatz Aktionsmanagementmodell Konzeptionelle Darstellung der Interaktion Planung Planungskonzepte Planungsschritte Planverfahren Navigation Simulationen Architektur (Hardware)Komponenten eines Roboters Mechanik und Kinematik Achsregelung und Antrieb Sensoren Haptische Sensoren Infrarotsensoren Sonarsensoren Laser Radar-Sensoren Hall-Sensoren Kompaßsensoren Winkelkodierung Bewegungssensoren Bildsensoren Sensordatenintegration Aktoren Steuerung Robotik Engeneering: Das Problem 2 Solution-Vorgehensmodell Klassische Vorgehensmodelle im Überblick Lebenszyklus Die Entwicklungsprozess im Überblick Verfahren zur Systemvalidierung Entwicklungsprojekte Robotik Projektmanagementsystem Software Arten der Robotersystemprogrammierung Manuelle Programmierung Teach-In-Programmierung Programmierung durch Beispiele Programmierung durch Training Roboterorientierte Programmierung 178

4 Inhaltsverzeichnis XV Aufgabenorientierte Programmierung Problemorientierte Programmierung Entwicklung von Programmiersprachen für Robotersysteme Verarbeitungsmodelle Roboterprogrammiersprachen im Überblick Klassifikation Explizite Programmiersprachen Implizite Programmiersprachen Aufgabenorientierte Programmiersprachen Allgemeine Programmiersprachen im Überblick Maschinennahe Sprachen Problemorientierte Programmiersprachen Simulationsorientierte Programmiersprachen Wissensverarbeitende Programmiersprachen Objektorientierte Programmiersprachen Elementare Sprachelemente Dokumentation Softwaretechnik NQC Programmaufbau Kommentare Konstanten und Schlüsselwörter Präprozessor Variablen Funktionen Multitasking Sensoren Bedingungen Operatoren und Anweisungen Bedingte Verzweigung Programmschleifen Datenspeicherung Kommunikation LeJOS und Java Das Betriebssystem lejos Spurverfolgung mit Java Problem 2 Solution-Plattform Entwicklungsumgebung Eclipse Systemmodellierung mit UML Anwendungsfall (Use Case) Aktivitäten Komponenten (Verteilungsdiagramm) Klassen Sequenzen Kollaborationen Zustand 280

5 XVI Inhaltsverzeichnis 7.3 Interaktionsmodellierung Übersicht Leistungsmerkmale Elemente Sichten Entwicklungsschritte Vorteile Projektplanung 28( > Planungskomponenten 2 & Planungsmethoden für Robotik-Projekte Dokumente und Werkzeuge der Projektplanung Planungszeitpunkt Funktionen und Leistungsmerkmale Schritte der Aktivitätsplanung Brainware Artifizielles Leben 8.2 Artifizielle Intelligenz Arbeitsbereiche Historie Philosophie Zeichen, Daten, Informationen und Wissen Schlußweisen Systemische Intelligenz Ausgangsposition Allgemeine Intelligenzkriterien Systemische Intelligenzkritierien Systemischer Intelligenzquotient Modell Kogniogenese Problemlösungsmethoden zur Steigerung des systemischen Intelligenzquotienten Problemmodellierung Methodenpluralismus Problemlösen durch Suchen Blinde Suchverfahren Constraintpropagierung Heuristische Suchverfahren Problemlösen durch Planen Mittel-Zweck-Analyse Expertensysteme Eigenschaften und Ziele Anwendungsgebiete Architektur Problemlösungsstrategien Entwicklungsmethodik und Wissensakquisition Artifizielle neuronale Netze (AnN)

6 Inhaltsverzeichnis Mathematisches Neuronenmodell Artifizielles Neuron Artifizielle neuronale Netze Klassifizierung artifizieller neuronaler Netze Lernparadigmen Architekturen Genetische Algorithmen Ausblick Zukunftsbilanz Ein neues Paradigma? Ein Playdoyer für ein Jahrzehnt der Robotik Robotic Science Programm Intradisziplinarität Robotik als multidisziplinäre Forschungseinrichtung Handeln anstatt Befürchten Anhang Glossar Physikalische Grundlagen Kräfte und Momente Kräfte und Wege Antriebe Bausätze für Roboter TuteBot RugWarrior Joker Robotics Fischertechnik Robotic Invention System Der Robotic Controller (E)Xplorer (RCX) Infrarot-Schnittstelle Sensoren Aktoren RCX-Programmierung mit NQC Bricx-Command-Center RCX-Programmierung mit lejos Java für Robotersysteme Vom Algorithmus zum (obj ektorientierten) Programm Struktur eines Java Programms Kommentare Bezeichner Variablen Konstanten Primitiva Operatoren Kontrollstrukturen Vererbungsmechanismen 499

7 XVIII Inhaltsverzeichnis Paketierung Threads Literatur Prozessmodellierung Informatik Informationstheorie Komponenten Projektorganisation Softwareentwicklung Robotik Sachverzeichnis 547