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E-Book

Handbuch Robotik

Programmieren und Einsatz intelligenter Roboter

AutorMatthias Haun
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2007
Seitenanzahl550 Seiten
ISBN9783540369189
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis82,99 EUR

Die Robotik stellt sich bisher als ein weit ausgedehntes Forschungsgebiet dar. Robotik als lernende Systeme werden in diesem Buch durch intelligente, rechnerbasierte Technologien in funktionaler Hinsicht beschrieben. Konkrete Anwendungsfälle werden modellierbar mit Hilfe der objektorientierten Ontologie, die Implementierung dieser Modelle durch Knowledge Computing Technologien unter Java ermöglicht die Umsetzung. Der Autor geht auf die den Systemen eigene Softwareintelligenz ein; es beschreibt im Detail die Bausteine dafür sowie die notwendigen Ansätze für lernende Systeme mit intelligenten Eigenschaften.

In diesem Buch wird die Robotik als Wissenschaft formuliert, verstanden als Gesamtheit naturwissenschaftlicher Analysen von Erkennen, Wissen und Handeln in allen Dimensionen und Funktionsweisen von Systemen. Der wissensorientierte Ansatz skizziert ein Modell wissenschaftlichen Handelns zur systematischen Problemlösung nach wissenschaftlichen Kriterien. Auf Basis der bereits klassischen Informationsverarbeitung entwickelt der Autor deren basale theoretische Konzepte (Daten, Information, Symbol, Repräsentation) weiter aus (Wissensverarbeitung).

So liegt denn auch ein Schwerpunkt des Buches eben nicht nur auf dem technischen Aspekt der Robotik, wie beispielsweise dem Bau von Robotern (Mechanik), der Steuerung der Gelenke (Elektronik) oder der Mechatronik (als die Verbindung von Mechanik und Elektronik). Vielmehr beschreibt das Buch auch die Möglichkeiten der Programmierung von Robotersystemen. Am Ende wird sich dann zeigen, daß in der zukünftigen Brainware das Potenzial zu suchen ist, was letzlich Roboter zu intelligenten Robotersystemen avancieren läßt.



Dr. Matthias Haun ist u.a. seit 2002 bei der SUBITO AG beschäftigt und arbeitet dort als Abteilungsleiter der WEB-Entwicklung an der Neuentwicklung von Knowledge Management- und Decision Systemen.

Seine Dissertation, zahlreiche Publikationen sowie seine Dozententätigkeit beschäftigen sich mit den Themen Wissensmanagement sowie Technologien der Künstlichen Intelligenz und des Künstlichen Lebens, die er auch in viele internationale Entwicklungs- und Forschungsprojekte erfolgreich einbrachte.

Zur Zeit liegt sein Forschungschwerpunkt im Bereich Robotik auf der Entwicklung intelligenter Software und deren Integration in Hardwaretechnologien zur Steigerung der systemischen Intelligenz (sIQ) von autonomen Robotersystemen.

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Leseprobe

2 Modellierung von Robotersystemen (S. 33)

2.1 System
Die Bedeutung der Modellbildung für die Robotik wird in nahezu allen literarischen Werken zur Robotik zwar betont, jedoch auch gleichzeitig unterschätzt. Dies verwundert umso mehr, als daß das Modell als Gegenstand einer Modellbildung gerade in der Fachwissenschaft der Informatik in zahlreichen Facetten vertreten ist. Das Herausstellen von Modelltypen dient nicht nur der begrifflichen Präzisierung der Modellbildung, sondern auch zur Ausarbeitung eines praxisrelevanten Begriffs, der zur späteren Entwicklung von intelligenten Robotersystemen wiederverwendet und notwendig wird.

Der usprüngliche Ausdruck „Kybernetik" ist mittlerweile ein wenig aus der Mode gekommen. Während im Deutschen offiziell nur die Bezeichnung „Steuerungs- und Regelungskunde" eingeführt ist, hat sich in den letzten Jahren eine handlichere Begriffsetikette namens „Systemtheorie" etabliert. Was ursprünglich als eine große Klammer geplant war, ist in der Folge dieser Etablierung in zwei wesentliche Teildisziplinen zerfallen, die teilweise ihre eigenen Wege gehen: System- und Informationstheorie.

Im Rahmen dieses Abschnitts wird daher aus zweckdienlichen Gründen sowohl die historische Scherenbewegung der System- und Informationstheorie wieder zusammengeführt, um dann durch eine Erweiterung des Modellbegriffs diese drei Erkenntnisaspekte zusammenzubringen. Das Gemeinsame an allen „Systemen" ist, daß an ihnen Elemente unterscheidbar sind, und daß diese Elemente in irgendeinem sinnvollen Zusammenhang stehen. Dabei können sie schon rein formal in einen Sinnzusammenhang gebracht werden, indem man sie mental und gedanklich nach Ähnlichkeiten, Symmetrien, Passungen oder aber Gegensätzen zusammenstellt.

Auf diese Weise ist etwa das „periodische System der Elemente" entstanden, und auf derselben konstruktiven Linie liegt ein „Lotto-Wettsystem", aber auch das „Wahnsystem" eines Geisteskranken. In all diesen Fällen meint man mit System ein abstraktes Schema, mit dem der Betrachter Ordnung in seine Wahrnehmungen und Ideen bringt. Er produziert sozusagen auf diese Art und Weise ein somit Idealsystem. Ein Zusammenhang kann aber auch darin liegen, daß die Elemente kausal interagieren. Er wird dann nicht nur vom Betrachter subjektiv gestiftet, sondern tritt ihm handgreiflich als Realkategorie entgegen.

In diesem Sinn spricht man etwa vom „Zentralnervensystem", vom „retikulären" oder „endokrinen System", vom „Sonnensystem" und eben auch vom „Robotersystem". Auch ein Organismus, eine soziale Gruppe, ein Arbeiter an seinem Arbeitsplatz, die Straßen einer Stadt samt Verkehrsampeln, Kraftfahrzeugen und Fußgängern sind reale Systeme in diesem konkreten Sinne. Die Systemtheorie ist zunächst eine interdisziplinäre Wissenschaft, deren Gegenstand in der formalen Beschreibung und Erklärung der strukturellen und funktionalen Eigenschaften solcher natürlichen, sozialen oder technischen Systeme besteht.

2.1.1 Systembegriff
Die Systemtheorie orientiert sich im Regelfall an Realsystemen. Unter einem solchen realen System versteht man Teile der beobachtbaren oder meßbaren Wirklichkeit, die sich durch eine - wie auch immer geartete - Beschreibungsmethodik erfassen lassen. Insofern ist ein solches System ein zunächst von seiner Umgebung abgegrenzter Gegenstand. Die Abgrenzung eines Systems ergibt sich jedoch nicht nur aus seinen physikalischen Grenzen, sondern aus der Fragestellung der Systembetrachtung. Ein wichtiger Bestandteil dieser Betrachtungsweise ist die Umgebung, wobei damit nicht die gesamte übrige Welt gemeint ist.

Vielmehr konstituiert sich diese Umgebung aus denjenigen, für die Fragestellung der Systembetrachtung ebenfalls wichtigen Objekten, die sich außerhalb des Systems befinden. Diese Grenzziehung darf dabei nicht als eine Art Einschränkung aufgefasst werden.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Lesehinweise12
Inhaltsverzeichnis14
1 Anstelle einer Einleitung…20
1.1 Artifizielle Wesen20
1.2 Roboter als integraler Bestandteil der Lebenswelt26
1.2.1 Serviceroboter26
1.2.2 Industrieroboter30
1.2.3 Robotersysteme im Dienste der Medizin31
1.2.4 Robotersysteme im Alltag und bei Spass und Spiel33
1.2.5 Humanoide Roboter36
1.2.6 Animaten und Biorobotik36
1.3 Intelligente Robotersysteme37
1.3.1 Klassifikation41
1.3.2 Allgemeiner Aufbau eines Robotersystems44
2 Modellierung von Robotersystemen52
2.1 System52
2.1.1 Systembegriff53
2.1.2 Systemtheorie58
2.1.3 Systemvarianten60
2.2 Modell67
2.2.1 Modellbegriff67
2.2.2 Modelltheorie70
2.2.3 Modellvarianten70
2.2.4Modellierung94
2.3 Simulation101
2.3.1 Modellsimulationen101
2.3.2 Robotersimulationsysteme (RSS)102
2.4 Architekturmodell103
2.4.1 Sensoren-Brainware-Aktoren-Einheit104
2.4.2 Mentale Strukturen107
3 Systemische Interaktionstheorie116
3.1 Ausgangsposition116
3.2 Ziele117
3.3 Roboter als interaktionsbasierte Systeme118
3.4 Systemische Interaktion122
3.4.1 Interaktion als System122
3.4.2 Definition des Interaktionsbegriffes123
3.4.3 Navigation von Robotersystemen126
3.4.4 Kommunikation und Interaktion von Robotersystemen129
3.5 Interaktionsanalyse131
3.5.1 Wissensbasierte Interaktionsebenen132
3.5.2 Funktionaler Ansatz136
3.5.3 Interaktionsmanagementmodell140
3.5.4 Konzeptionelle Darstellung der Interaktion141
3.6 Planung142
3.6.1 Planungskonzepte143
3.6.2 Planungsschritte145
3.6.3 Planverfahren146
3.6.4 Navigation148
3.7 Simulationen150
3.8 Architektur153
4 (Hardware)Komponenten eines Roboters154
4.1 Mechanik und Kinematik154
4.2 Achsregelung und Antrieb155
4.3 Sensoren156
4.3.1 Haptische Sensoren159
4.3.2 Infrarotsensoren159
4.3.3 Sonarsensoren160
4.3.4 Laser161
4.3.5 Radar-Sensoren162
4.3.6 Hall-Sensoren162
4.3.7 Kompaßsensoren162
4.3.8 Winkelkodierung163
4.3.9 Bewegungssensoren164
4.3.10 Bildsensoren164
4.3.11 Sensordatenintegration165
4.4 Aktoren165
4.5 Steuerung168
5 Robotik Engineering: DasProblem2Solution-Vorgehensmodell170
5.1 Klassische Vorgehensmodelle im Überblick170
5.2 Lebenszyklus178
5.3 Der Entwicklungsprozess im Überblick180
5.4 Verfahren zur Systemvalidierung181
5.5 Entwicklungsprojekte184
5.6 Robotik Projektmanagementsystem187
6 Software192
6.1 Arten der Robotersystemprogrammierung192
6.1.1 Manuelle Programmierung193
6.1.2 Teach-In-Programmierung193
6.1.3 Programmierung durch Beispiele195
6.1.4 Programmierung durch Training197
6.1.5 Roboterorientierte Programmierung197
6.1.6 Aufgabenorientierte Programmierung197
6.1.7 Problemorientierte Programmierung198
6.2 Entwicklung von Programmiersprachen für Robotersysteme199
6.3 Verarbeitungsmodelle200
6.4 Roboterprogrammiersprachen im Überblick202
6.4.1 Klassifikation203
6.4.2 Explizite Programmiersprachen204
6.4.3 Implizite Programmiersprachen205
6.4.4 Aufgabenorientierte Programmiersprachen206
6.5 Allgemeine Programmiersprachen im Überblick207
6.5.1 Maschinennahe Sprachen208
6.5.2 Problemorientierte Programmiersprachen209
6.5.3 Simulationsorientierte Programmiersprachen212
6.5.4 Wissensverarbeitende Programmiersprachen215
6.5.5 Objektorientierte Programmiersprachen219
6.5.6 Elementare Sprachelemente228
6.5.7 Dokumentation230
6.6 Softwaretechnik234
6.7 NQC240
6.7.1 Programmaufbau240
6.7.2 Kommentare242
6.7.3 Konstanten und Schlüsselwörter242
6.7.4 Präprozessor250
6.7.5 Variablen252
6.7.6 Funktionen252
6.7.7Multitasking254
6.7.8 Sensoren257
6.7.9 Bedingungen261
6.7.10 Operatoren und Anweisungen265
6.7.11 Bedingte Verzweigung269
6.7.12 Programmschleifen272
6.7.13 Datenspeicherung275
6.7.14 Kommunikation276
6.8 LeJOS und Java277
6.8.1 Das Betriebssystem leJOS278
6.8.2 Spurverfolgung mit Java279
7 Problem2 Solution-Plattform288
7.1 Entwicklungsumgebung Eclipse288
7.2 Systemmodellierung mit UML291
7.2.1 Anwendungsfall (Use Case)292
7.2.2 Aktivitäten293
7.2.4 Klassen294
7.2.5 Sequenzen297
7.2.6 Kollaborationen298
7.2.7 Zustand299
7.3 Interaktionsmodellierung301
7.3.1 Übersicht301
7.3.2 Leistungsmerkmale302
7.3.3 Elemente302
7.3.4 Sichten303
7.3.5 Entwicklungsschritte304
7.3.6 Vorteile305
7.4 Projektplanung305
7.4.1 Planungskomponenten305
7.4.2 Planungsmethoden für Robotik-Projekte306
7.4.3 Dokumente und Werkzeuge der Projektplanung307
7.4.4 Planungszeitpunkt307
7.4.5 Funktionen und Leistungsmerkmale308
7.4.6 Schritte der Aktivitätsplanung309
8 Brainware312
8.1 Artifizielles Leben312
8.2 Artifizielle Intelligenz314
8.2.1 Arbeitsbereiche315
8.2.2 Historie320
8.2.3 Philosophie323
8.2.4 Zeichen, Daten, Informationen und Wissen324
8.2.5 Schlußweisen328
8.3 Systemische Intelligenz332
8.3.1 Ausgangsposition332
8.3.2 Allgemeine Intelligenzkriterien333
8.3.3 Systemische Intelligenzkritierien336
8.3.4 Systemischer Intelligenzquotient338
8.3.5 Modell345
8.3.6 Kogniogenese345
8.4 Problemlösungsmethoden zur Steigerung des systemischen Intelligenzquotienten347
8.4.1 Problemmodellierung347
8.4.2 Methodenpluralismus352
8.5 Problemlösen durch Suchen356
8.5.1 Blinde Suchverfahren358
8.5.2 Constraintpropagierung366
8.5.3 Heuristische Suchverfahren369
8.6 Problemlösen durch Planen378
8.7 Mittel-Zweck-Analyse382
8.8 Expertensysteme384
8.8.1 Eigenschaften und Ziele385
8.8.2 Anwendungsgebiete387
8.8.3 Architektur389
8.8.4 Problemlösungsstrategien392
8.8.5 Entwicklungsmethodik und Wissensakquisition399
8.9 Artifizielle neuronale Netze (AnN)411
8.9.1 Mathematisches Neuronenmodell411
8.9.2 Artifizielles Neuron421
8.9.3 Artifizielle neuronale Netze423
8.9.4 Klassifizierung artifizieller neuronaler Netze430
8.9.5 Lernparadigmen434
8.9.6 Architekturen438
8.10 Genetische Algorithmen440
9 Ausblick444
9.1 Zukunftsbilanz444
9.2 Ein neues Paradigma?448
9.3 Ein Playdoyer für ein Jahrzehnt der Robotik449
9.3.1 Robotic Science Programm450
9.3.2 Intradisziplinarität451
9.3.3 Robotik als multidisziplinäre Forschungseinrichtung453
9.3.4 Handeln statt Befürchten455
10 Anhang456
10.1 Glossar456
10.2 Physikalische Grundlagen459
10.2.1 Kräfte und Momente459
10.2.2 Kräfte und Wege462
10.2.3 Antriebe466
10.3 Bausätze für Roboter468
10.3.1 TuteBot468
10.3.2 Rug Warrior469
10.3.3 Joker Robotics470
10.3.4 Fischertechnik471
10.4 Robotic Invention System471
10.4.1 Der Robotic Controller (E)Xplorer (RCX)471
10.4.2 Infrarot-Schnittstelle474
10.4.3 Sensoren475
10.4.4 Aktoren479
10.5 RCX-Programmierung mit NQC482
10.5.1 Bricx-Command-Center482
10.6 RCX-Programmierung mit leJOS488
10.7 Java für Robotersysteme492
10.7.1 Vom Algorithmus zum (objektorientierten) Programm493
10.7.2 Struktur eines Java Programms498
10.7.3 Kommentare499
10.7.4 Bezeichner499
10.7.5 Variablen500
10.7.6 Konstanten502
10.7.8 Operatoren504
10.7.9 Kontrollstrukturen511
10.7.10 Vererbungsmechanismen518
10.7.11 Paketierung528
10.7.12 Threads537
11 Literatur552
11.1 Prozessmodellierung552
11.2 Informatik553
11.3 Informationstheorie556
11.4 Komponenten561
11.5 Projektorganisation561
11.6 Softwareentwicklung561
11.7 Robotik564
12 Sachverzeichnis566

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