UHR² Roboter

Juli 1, 2022 - Lesezeit: 3 Minuten

UHR² Roboterprojekt Handbuch
UHR² universal humanoider roboter |  UHR² universal humanoid robot
α-Revision 0.001 |  01.07.2022 © Michael Metzger

WICHTIG: Dieses Handbuch unterliegt laufend Erweiterungen und Änderungen (siehe Datum und Revisionsnummer) es ist derzeit noch eher eine Projektübersicht als eine Nachbauanleitung. Jeder von mir dokumentierte Fortschritt und/oder Änderung wurde durch Erprobung und Tests von mir selbst verifiziert. Möglicherweise funktionieren manche Beschreibungen, Teile oder Geräte trotzdem nicht wie erwartet oder auch gar nicht, vielleicht gibt es auch bessere Lösungen. Eine Haftung für die Angaben kann in keinster Weise aus dieser Dokumentation abgeleitet werden. Ein Nachbau erfolgt daher auf eigene Gefahr und eigenes Risiko!

Vorwort
UHR² ein Roboter zum Selbstbauen.
UHR² besteht aus Teilen die leicht zu beschaffen sind und wenig kosten.
UHR² kann sehen, verstehen und sprechen.
UHR² bewegt sich wie ein Mensch.

Roboter rücken in unserem Leben immer mehr in den Mittelpunkt, vor allem in technikaffinen Haushalten sind solche Helfer mittlerweile in vielfältiger Form im Einsatz. Oft ist es den Personen gar nicht bewusst welche Systeme sie täglich unterstützen. Am einfachsten ist es wohl am Smartphone zu bemerken, diese Geräte haben sich schon sehr lange einen festen Platz an unserer Seite erobert und für den ursprünglichen Zweck, der Sprachtelefonie, werden sie immer weniger verwendet. Ganze Heerscharen von APPs haben individuelle Aufgaben übernommen, sie verwalten Termine, Aufgaben und Einkaufslisten. Sie bieten raschen Zugang zum Bankkonto, verwalten Kundenkarten oder dienen als elektronische Geldbörse für Cyberwährungen - um nur einige wenige Beispiele anzuführen.

Digitale Assistenten wie Alexa Siri oder Google Home sind uns mittlerweile bekannt oder sogar schon in den eigenen vier Wänden zu Hause. Natürlich können die Fähigkeiten dieser virtuellen Assistenten ebenfalls mit Skills erweitert werden und eine Anpassung an persönliche Anforderungen des Besitzers erfolgt manuell oder aber auch oft schon durch „maschinelles Lernen“ oder „künstlicher Intelligenz“ der Geräte. Die Einfachheit der Bedienung, also der Spracheingabe trägt sicher auch bei das diese Assistenten eine so rasche Verbreitung finden. Offensichtlich ist auch die Akzeptanz mit einem elektronischen Gerät zu sprechen mittlerweile so groß das wir den Vorteil der einfachen Bedienung eines Gerätes gerne nutzen.

Der nächste Schritt kann nur sein den digitalen Assistenten aus seinem virtuellen Gefängnis zu befreien und ihm einen echten Körper in der realen Welt zu geben, damit er wie ein Mensch mit seiner Umgebung interagieren kann. Somit sind wir, ab sofort, im Zeitalter der Roboter angelangt!

Projektbeschreibung
UHR² der Roboter zum Selberbauen, ein Projekt getragen vom Open Source Gedanken der einen einfachen Zugang zur Robotertechnik bringt! Einfach und kostengünstig war und ist bei der Entwicklung des Projektes die Basis. Daher kommen bei der Entwicklung meist Open Source Programme zum Einsatz, wo das nicht möglich ist bleibt der Fokus zumindest kostenlose bzw. kostengünstige Software. Auch Hardwareteile sind Eigenkonstruktionen aus bzw. genormte Standardteile wie Schrauben, Muttern usw. Im Bereich der Elektronik und Steuerung kommen Fertigkomponenten wie der RaspberryPi, Arduino, Getriebemotoren und Servos aus dem Modellbau. Alles im allem Teile die leicht und günstig zu beschaffen sind.

Da das Projekt auch einer ständigen Weiterentwicklung unterliegt ist eine genaue Baudokumentation von zentraler Bedeutung. Daher werden genaue Vorgehensweisen befolgt um eine Dokumentation der durchgeführten Veränderungen nachvollziehen zu können und die Kompatibilität der Bauteile und Software im höchsten Maße sicherzustellen. Die Bauanleitung auf www.roboterfabrik.at in der Rubrik „UHR² Roboter“ wird diesbezüglich am aktuellen Stand gehalten und sofern man sich an diese Anleitung hält wird der Nachbau des Roboters gelingen.


Isaac Asimov Science-Fiction Autor und Visionär

April 14, 2022 - Lesezeit: 2 Minuten

Der bekanntesten Science-Fiction-Autoren der Welt beschäftigte sich in seinen Romanen intensiv mit der Beziehung zwischen Mensch und Roboter. Berühmtheit erlangte Isaac Asimov unter anderem durch seine "Foundation Trilogie"

Aus Asimovs Robotergeschichten entstammen auch seine Robotergesetze, die bis heute immer wieder in Filmen und Büchern, zitiert werden. Vielen Roboterentwicklern dienen sie heute noch als Leitlinie beim Programmieren von künstlichen Intelligenzen. Dies wird umso wichtiger, je mehr Fähigkeiten und Autonomie moderne Roboter bekommen.

Die drei Robotergesetze:
1. Ein Roboter darf keinen Menschen verletzen oder durch Untätigkeit zu Schaden kommen lassen.
2. Ein Roboter muss den Befehlen eines Menschen gehorchen, es sei denn, solche Befehle stehen im Widerspruch zum ersten Gesetz.
3. Ein Roboter muss seine eigene Existenz schützen, solange dieser Schutz nicht dem ersten oder zweiten Gesetz widerspricht.

Isaac Asimov hat also 1942 in seinem Roman, sehr weitsichtig, die Robotergesetze postuliert die die Grundregeln einer ethischen Beziehung zwischen Mensch und Maschinen definieren.

Aber nicht nur die Robotergesetze machen seine Werke lesenswert, sondern auch die vielfältigen und zukunftsweisenden Blickwinkel aus denen er seine Romanfiguren die Maschinenmenschen betrachten lässt. Gerade dadurch kommen Erkenntnisse zutage die ihm eine mögliche Zukunft, vermutlich unsere nahe Zukunft, beschreiben lässt. Fazit: Wer an Robotern und Science-Fiction interessiert ist kommt an Isaac Asimov nicht vorbei!


Moderne Roboter der Gegenwart

April 8, 2022 - Lesezeit: ~1 Minute

In der Automobilindustrie sind sie seit 1961 bis zum heutigen Tag fest etabliert und gehören zum gewohnten Bild. 10 Jahre davor wurden erste Roboter gebaut um Arbeiten zu erledigen die für den Menschen zu gefährlich waren. Sie übernahmen Tätigkeiten als Manipulatoren für radioaktives Material in Kernkraftwerken. Im Laufe der Zeit haben Sie dem Menschen in zahlreichen Branchen vieles an monotonen, gefährlichen oder anderen ungewollten Tätigkeiten abgenommen.

Mit zunehmender Präzision und Geschwindigkeit haben die Roboter aber viele weitere Arbeiten übertragen bekommen, durch die rasante Erhöhung der Rechnerleistung und Weiterentwicklung von Steuersystemen auch viele diffizilere Tätigkeiten. Dabei stoßen die Maschinen mittlerweile an ihre technischen Grenzen und so bekommt auch die Mensch-Roboter Beziehung wieder mehr Bedeutung.

Als kollaborative Roboter werden Roboter, die mit dem Menschen eng zusammenarbeiten, bezeichnet. Dabei sorgen verschiedene Sensoren des Roboters für eine sichere Interaktion bei der Zusammenarbeit mit dem Menschen. In dieser Arbeitsbeziehung können die Stärken des Menschen mit den Vorteilen eines Roboters kombiniert werden. Wobei die Taktung der Arbeitsschritte vom Menschen vorgegeben wird und der Roboter die Vor- oder Nacharbeit übernimmt. Somit kann klar unterschieden werden zwischen der Arbeit am Roboter wo die Maschine den Arbeitstakt vorgibt und der kollaborativen Arbeit mit dem Roboter wo der Mensch diese Taktung bestimmt.


Geschichte der Robotik in Österreich

April 7, 2022 - Lesezeit: 2 Minuten

Mein Assistent übernimmt gerne! Die Entscheidung einen menschenähnlichen Roboter zu bauen ist manchmal auch von solchen Gedanken getragen und absolut keine neue Idee! Selbst in meinem geographischen Umfeld (nein, ich wohne nicht in Silicon Valley) hat es in der Vergangenheit schon einige Forscher gegeben, die dieser Gedanke motiviert hat. Einer davon ist Prof. DI Claus Christian Scholz-Nauendorff der in Wien mehrere humanoider Roboter entwickelt und gebaut hat. Seine Entwicklungen waren der Roboter MM6 aus dem Jahr 1958 bis zum MM9 aus dem Jahr 1973. 

Glücklicherweise sind einige Roboter erhalten und im technischen Museum Wien ausgestellt. In dem Heft ITM Praktiker Nr. 6/1990 wurde auf 5 Seiten über Prof. DI Scholz-Nauendorff und seine Roboter berichtet. Im Internet können noch Raritäten, wie ein Interview oder kurze Videos, dazu gefunden werden. Kaum zu glauben was ein Erfindergeist mit so wenig Mitteln bereits 1958 auf die Beine stellt (im wahrsten Sinne des Wortes). Ein österreichischer Pionier der Robotik mit einer interessanten Geschichte. Mehr als 60 Jahre später wirken seine Maschinen einfach und plump, aber viele richtungsweisende Ideen finden sich als erste Ansätze in den Robotern verwirklicht. Auch seine Überlegungen zur Kommunikation zwischen Mensch und Maschine oder von Roboter zu Roboter sind für damalige Möglichkeiten fast revolutionär. Erkennt man doch erste Überlegungen zu einem Protokoll für elektronische Kommunikation. Ansätze zur Gestaltung von künstlicher Intelligenz finden sich ebenfalls in seiner Forschungsarbeit. 

Vor allem fasziniert mich die Umsetzung seiner Maschinenmenschen in Bezug auf die wahrlich eingeschränkten Möglichkeiten die Scholz-Nauendorff 1958 zur Verfügung standen. Ende der 50ger Jahre wurden die ersten volltransistorisierter Serienrechner gebaut, unleistbar, immer noch zu groß und zu schwer und unerreichbar für den Forscher aus Wien mit seinem Labor im Wohnzimmer einer Privatwohnung. Darum verneige ich mich vor einem, leider fast unbekannten, österreichischen Robotiker der ersten Stunde!


Einen Roboter selber bauen

April 4, 2022 - Lesezeit: 2 Minuten

Seit dem Jahr 2006 beschäftige ich mich mit der Grundsatzforschung zum Thema humanoider Roboter. Ein Roboter der eine menschenähnliche Statur hat, mit Armen und Beinen die auch noch entsprechenden Bewegungen ausführen können, sind nicht nur eine Herausforderung beim Bau, sondern auch bei der Programmierung. Dieser spezielle Zweig der Robotik erfordert interdisziplinäre Kenntnisse aus den Bereichen Mechanik, Elektronik und Informatik. Nach einigen Tests verschiedener Materialien habe ich mich entschieden für die mechanischen Teile ALU Profile und im 3D-Drucker additiv gefertigte Teile aus PLA Kunststoff, dies ermöglicht einerseits eine konsequente Leichtbauweise und ist andererseits kostengünstig in der Herstellung. Der 3D-Druck hat auch noch den Vorteil konstruktionsbedingte Bauteiländerungen sofort umzusetzen und ermöglicht auch die maßhaltige Reproduktion von Bauteilen in Kleinserie.

Der mechanische Antrieb der Gliedmaßen erfolgt durch elektrische Getriebemotoren die eine Trapezgewindespindel antreiben. Da diese Gewindespindeln selbsthemmend sind bleiben, auch bei Stromunterbrechungen, die bewegten Teile an Ort und Stelle und werden nicht unkalkulierbar an mechanische Endpunkte geführt. Das heißt in der Praxis, ist der Stromfluss unterbrochen, klappt der Roboter nicht in sich zusammen und fällt um, sondern er verharrt in der letzten angesteuerten Position. Natürlich gibt es auch Nachteile die nicht unerwähnt bleiben sollten, vor allem die Bewegungsgeschwindigkeit ist eingeschränkt dies wird aber zum Großteil wieder durch die Stellgenauigkeit kompensiert, Einschränkungen gibt es auch bei den konstruktionsbedingt erreichbaren Winkeln von Gelenken aber auch hier dürfen wir uns über eine teilweise Kompensation durch den ausgezeichneten Kraftschluss der Gewindespindel freuen. Um die Teile die im 3D-Druck hergestellt werden mechanisch zu stärken, werden sämtliche Gelenke mit Kugellager versehen. Somit wird eine ausgezeichnete Leichtgängigkeit erreicht und Scher- und Biegekräfte besser in die Konstruktion abgeleitet.

Zur Steuerung des Roboters wird ein Einplatinencomputer eingesetzt. Dieser versendet und empfängt Signale über ein Bussystem in dem Aktoren und Sensoren direkt eingebunden sind. Dies gewährleistet durch eine vorgegebene Normierung die Austauschbarkeit von elektronischen Bauteilen oder Baugruppen. Auch die Verfügbarkeit von passenden und vorgefertigten Bauteilen wir dadurch gesteigert. Als Betriebssystem wird am Einplatinenrechner GNU/Linux eingesetzt dadurch wird die notwendige Flexibilität für Anpassungen des Betriebssystems erreicht. Da sich der Roboter in der direkten Umgebung des Menschen aufhält, wurde auch in Bezug auf Sicherheit und Datenschutz GNU/Linux ausgewählt. Auch lizenzrechtliche Gründe sprechen für dieses quelloffene Betriebssystem.

Wer an dem Bau des Roboters interessiert ist bekommt hier auf dieser Webseite laufend entsprechende Innformationen dazu, für Detailfragen bin ich natürlich auch per Email erreichbar.