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Robotersoftware - Was tun und wie?
Wie alle elektronischen Geräte mit einem Prozessor müssen auch Roboter mit der richtigen Software ausgestattet sein, damit sie ihre Funktionen korrekt ausführen können. Dieser Artikel befasst sich mit gängigen Programmiermethoden und -sprachen, die in der Robotik verwendet werden.
Programmierbare Roboter um uns herum
Roboter gibt es schon seit mehreren Jahrzehnten. Heutzutage sind sie technologisch noch fortschrittlicher und leichter zugänglich als früher, als sie nur als sehr teure Großmaschinen für Zwecke wie Kinematographie, Industrie sowie Forschung und Entwicklung existierten. Die meisten Roboter werden in Fabriken an automatisierten Fließbändern oder als Hilfsmaschinen eingesetzt, um Menschen bei schweren körperlichen Arbeiten zu unterstützen, z. B. im Bergbau, in der Forstwirtschaft, in der Landwirtschaft und in vielen anderen Bereichen mit hochkomplexen Prozessen. Es gibt auch Roboter, die sowohl für die Reinigung von Wohngebäuden als auch von Büroräumen konzipiert sind.. Was den Funktionsumfang anbelangt, so können solche Roboter das Saugen und Wischen von Böden entlang einer vorprogrammierten Route, d. h. einer Karte der Oberfläche, durchführen, um Hindernisse zu vermeiden.
Mit den heutigen Softwarefunktionen können Roboter geschaffen werden, die Tätigkeiten mit sehr unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad ausführen. Die Roboterprogrammierung ist in der Lage, Roboter herzustellen, die relativ einfache alltägliche Aufgaben ausführen. Die Programmierung eines eigenen Roboters stellt eine gewisse Herausforderung dar, da ein voll funktionsfähiger Roboter für den Heim- oder Bürogebrauch in Bezug auf die mechanische Konstruktion sechs Freiheitsgrade benötigt, um im dreidimensionalen Raum der realen Welt, in der wir leben, zu funktionieren. Dies gilt auch für die Verwendung des Zielroboters, seiner Hardware und des Programmcodes, der über den Mikrocontroller die verschiedenen Aktionen steuert, die der Roboter physisch ausführen wird.
Das Wesentliche zum Verständnis der Roboterprogrammierung
Bei der Betrachtung einer Einführung in die Roboterprogrammierung ist es wichtig zu bedenken, dass ein Roboter an sich keine intelligente Maschine ist. Seine Leistungsfähigkeit wird durch die Ausstattung mit einer Hardware mit spezifischer Funktionalität und durch den Programmcode begrenzt, mit dem der Roboter das entsprechende Spektrum von Aktionen ausführen kann, wie es im Entwurf dargestellt ist.
Interessanterweise muss es sich bei einem Roboter nicht immer um ein physisches Gerät handeln. Roboter können auch virtuell existieren, als spezialisierte Software, die z. B. den Devisenhandel abwickelt. Um auf die Roboter in physischer Form zurückzukommen: Es gibt autonome Roboter, teilautonome Roboter und Roboter ohne Autonomie. Die Programmierung der einzelnen Roboter unterscheidet sich voneinander. Beispielsweise führen Roboter, die an Fließbändern in Automobilfabriken eingesetzt werden, nur eine bestimmte Anzahl von Tätigkeiten automatisch aus, d. h. ohne menschliches Eingreifen während ihres Betriebs.
Das Zielkonzept des Roboters in Bezug auf seinen Autonomiegrad, die Komplexität der Hardware und der Softwareschicht hängt in erster Linie von der Bandbreite der Tätigkeiten ab, die der Roboter ausführen soll, wie in der Projektbeschreibung angegeben. Im Falle eines autonomen Roboters wird es wahrscheinlich notwendig sein, maschinelle Lernfähigkeiten oder Methoden der künstlichen Intelligenz zu implementieren.
Welche Programmiersprachen werden in der Robotik verwendet?
In vielen Fällen hängt die Wahl der richtigen Programmiersprache für unseren Roboter von seiner Zielanwendung ab, obwohl dies keine Einschränkung sein muss. Üblicherweise werden für die Roboterprogrammierung die Sprachen C++, Python und Java verwendet. Diese Sprachen sind vor allem bei Anfängern in der Robotik und bei Hobbybastlern beliebt. Für den professionellen Einsatz in der Robotik ist es jedoch empfehlenswert, sich mit anderen Programmiersprachen vertraut zu machen, die ein noch größeres Spektrum an Möglichkeiten bieten.
An dieser Stelle kommt MATLAB ins Spiel – eine hochentwickelte Umgebung mit leistungsstarken Berechnungs- und Simulationsfunktionen, die von Ingenieuren in fast allen Branchen, einschließlich der Robotik, eingesetzt wird. Bei der Programmierung eines Roboters müssen große Datenmengen mit einem umfangreichen mathematischen Apparat analysiert werden. Aus diesem Grund ist MATLAB eine der besten Entscheidungen für eine professionelle Softwareentwicklungsumgebung für Roboter. Andererseits ist es ratsam, sich zunächst mit der Programmierung in C/C++, Python und Java vertraut zu machen, wenn man sich in das Abenteuer Robotik stürzt. Bei der Erstellung unseres ersten Roboterprojekts sollten wir prüfen, ob die Programmierungsschicht für die Funktionen, die nicht direkt mit der Ausführung der physischen Aktivitäten unseres Roboterprojekts zusammenhängen, ordnungsgemäß funktioniert.
Vom einfachen Prototyp zum fortschrittlichen Projekt
Intelligente Bilderkennung sowie wort- und sprachspezifische Verarbeitung der menschlichen Stimme sind die Hauptprobleme, mit denen sich die Konstrukteure von humanoiden Robotern konfrontiert sehen, die das Verhalten von “echten” Menschen nachahmen sollen. Um in diese Welt einzutreten, lohnt es sich, mit einem Algorithmus zu beginnen, der eine Kamera verwendet, um die Gesichter von Personen zu erkennen, die einen Raum betreten. Bei diesem Algorithmus wird ein Bewegungssensor angebracht und an die Kamera angeschlossen. Der Bewegungssensor muss so programmiert werden, dass er die Kamera auslöst.
Das Foto der fotografierten Person, die den Raum betreten möchte, ist ein Element des Eingabedatensatzes für das Roboterprogramm. Das gescannte Bild des Gesichts wird dann mit dem tatsächlichen Bild der Person verglichen, das von der Kamera gesehen wurde. Das Programm vergleicht dann dieses Bild mit dem zuvor im Speicher abgelegten Bild. Wenn das Kamerabild mit dem Referenzbild identisch ist, kann die Tür entriegelt werden. Im Falle einer nicht erfolgreichen Übereinstimmung kann der Algorithmus hingegen versuchen, das Bild erneut zu scannen oder andere vordefinierte Schritte zu unternehmen.
Wenn wir die Technologie der Gesichtserkennung bereits beherrschen, können unser Roboter und seine Software um zusätzliche Funktionen erweitert werden, z. B.das Einsammeln der Kleidung von eingeladenen Gästen. In diesem Stadium wird es notwendig sein, einen zusätzlichen Arm mit einem Greifer und Sensoren hinzuzufügen, und die Software muss die Entfernung berechnen, in der der Arm des Roboters geschwenkt werden muss, um das äußere Kleidungsstück aufzunehmen und auf einen Kleiderbügel zu hängen, was die Einführung geeigneter bedingter Anweisungen erfordert, die in Abhängigkeit von der Zielentfernung während des Zyklus der Aufnahme des Kleidungsstücks und des Aufhängens sowie des erneuten Aufhängens und der Übergabe an den Besitzer ausgeführt werden.
Roboterprogrammierung - was sollte man wissen?
Die Robotik ist einer der am schnellsten wachsenden Bereiche der modernen Wissenschaft und Technologie. Um mit den neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Roboter Schritt zu halten, muss man sich kontinuierlich Wissen aneignen, das oft über die Kenntnisse der heutigen Programmiersprachen hinausgeht. Wenn man die Roboterprogrammierung verstehen und beherrschen will, muss man die Hardware- und Softwareanforderungen und -fähigkeiten des Roboters berücksichtigen. Glücklicherweise ermöglichen viele Plattformen die Programmierung von Robotern für Anfänger. Dabei werden viele der Schwierigkeiten beseitigt, die mit dem Wissen über die Funktionsweise der Hardware verbunden sind, was zum Beispiel durch die Arduino-Plattform ermöglicht wird. Dies kann auch durch Programmierung auf der Ebene des Maschinencodes geschehen. Generell lohnt es sich für den Einstieg in die Robotik, die Sprachen C/C++, Java und Python sowie die MATLAB-Umgebung zu erlernen, die als Grundlage für fortgeschrittene technische Berechnungen und Simulationen, auch von Robotersystemen, dient.
