1 Einführung 1

2 Auf dem Weg zur Automatisierung 3

2.1 Ursprünge der Automatisierung 3

2.1.1 Der Mensch ein Technologe (Vom Werkzeug zur Maschine) 4

2.1.2 Automaten der Antike und des 18. Jahrhunderts 4

2.1.3 Der erste programmierbare Computer 6

2.2 Steuern und Regeln 9

2.2.1 Steuern 9

2.2.2 Regeln 12

2.2.2.1 Die automatische Regelung 14

2.2.2.2 Die automatische Regelung im 17. und 18. Jahrhundert 15

2.3 Die Kybernetik ­ ein bindendes Glied 17

2.3.1 Der kybernetische Vorgang in Mensch und Maschine 18

2.3.2 Kybernetik - die Brücke zwischen den Wissenschaften 21

3 Automatisierung und Roboter 22

3.1 Grundlagen heutiger Automatisierung 22

3.1.1 Automatisierung gestern und heute 22

3.1.2 Ziele und Aufgaben der Automatisierungstechnik 25

3.1.3 Das Grundprinzip der Automatisierung 27

3.1.4 Das Rückkopplungsprinzip 29

3.1.5 Anwendungsfelder der Automatisierung 30

3.2 Von der Vision zum Einsatz von Robotern 31

3.2.1 Von der manuel en Massenproduktion zur Vision von Robotern 31

3.2.2 Handhabungstechnik als Erfül ungsgehilfe 32

---

3.2.3 Handhabungseinrichtungen 33

3.3 Roboter, deren Wissenschaft und Anwendung 36

3.3.1 Der erste Roboter 36

3.3.2 Robotik, die Wissenschaft der Roboter 38

3.3.3 Geburtsstunde des Begriffs Roboter 39

3.3.4 Vorfahren der Roboter 40

3.3.5 Anwendung der Robotertechnik 41

4 Didaktische Überlegungen 46

4.1 Allgemeinbildender Technikunterricht 46

4.1.1 Legitimation und Intention des al gemein bildenden Technikunterrichts...46

4.1.2 Gegenstandsbereiche des al gemein bildenden Technikunterrichts 48

4.2 Informationstechnische Bildung 49

4.2.1 Informationstechnik als Bestandteil technischer Sachsysteme 51

4.2.2 Informationstechnik als Gegenstandbereich des al gemein bildenden

Technikunterrichts 54

4.2.3 Informations- und Kommunikationstechnik im Technikunterricht 57

4.3 Roboter erobern die Schule 58

4.3.1 Roboter auf der Ebene kybernetischer Model e 58

4.3.1.1 Variante Eigenbau 58

4.3.1.2 Variante Baukasten 60

4.3.2 Eine Durchführungsmöglichkeit 73

4.3.2.1 Die First LEGO League 75

5 Schlussbemerkung 78

6 Literaturverzeichnis 81

7 Abbildungsverzeichnis 86

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1

1 Einführung

,,Sprechende Lego- Roboter für Schulen" pries die Werbetafel auf der CeBit 2008,

Hal e 9, Stand B35, an. Wissenschaftler der Universität des Saarlandes stel ten

dieses

Jahr

auf

der

weltweit

größten

Informations-

und

Telekommunikationstechnologie-

Messe

in

Deutschland

eine

Sprachsteuerungssoftware für Lego- Roboter vor. Wie demonstriert wurde, macht

diese Software es möglich, mobilen Kleinrobotern mündliche Anweisungen zu

geben, woraufhin die Roboter Gegenstände ansteuern, sie ergreifen und den

Befehlenden bringen.

Die Robotik wird vielfach als Schlüsseltechnologie des dritten Jahrtausends

bezeichnet. Laut der Studie ,,World Robotics 2007" hatte die Wissenschaft der

Roboter Ende 2007 weltweit eine beachtliche Anzahl eingesetzter Roboter

vorzuweisen. Die Zahlen bewegten sich in der Industrie im Bereich von einer

Mil ion, im Servicebereich um die 40.000. Besonders die Anzahl der Service

Roboter, so das ,,IFR Statistical Department", wird sich bis 2010 verdoppeln.

Folglich erscheinen Roboter sehr verbreiten und für die gegenwärtige Lebenswelt

von wesentlicher Bedeutung zu sein.

Unbeantwortet bleibt nun die Frage, wie Roboter mit Schule in Verbindung zu

bringen sind. Zunächst einmal, ob die Thematik Robotik überhaupt einen für das

schulische Lernumfeld der Realschule relevanten Gegenstandsbereich darstel t

und wenn, wie sich dieser realisieren lässt.

Wie dem Titel zu entnehmen ist, befasst sich die vorliegende wissenschaftliche

Hausarbeit mit der Einführung der Robotik in der Realschule. Der Stel enwert der

Robotik, als Schlüsseltechnologie des dritten Jahrtausends, legitimiert von sich

aus noch nicht eine Einführung im Rahmen des al gemein bildenden

Technikunterrichts. Zunächst müssen die Inhalte der Thematik Robotik auf ihre

Relevanz hinsichtlich einer al gemeinen technischen Bildung, überprüft werden.

Erst danach können unterschiedliche Möglichkeiten der Umsetzung erdacht und

im Sinne technischer Bildung, bezüglich ihrer Fruchtbarkeit erörtert werden. Aus

---

2

dem Untertitel dieser Arbeit geht bereits hervor, dass insbesondere einer dieser

möglichen Wege eingehender betrachtet wird.

Die ersten beiden Kapitel stel en den wissenschaftlichen Teil, die fachliche

Grundlegung, der Arbeit dar. Sie beinhalten die theoretischen Hintergründe auf

einem fachlich angemessenen Niveau. Das dritte Kapitel bildet den didaktischen

Rahmen und stel t somit einen Bezug zur späteren Bildungs- und Unterrichtsarbeit

her.

Das erste Kapitel beschäftigt sich anfangs mit den Ursprüngen der

Automatisierung. Um das Wesen der Automatisierung zu begreifen sind

geschichtliche Hintergründe, die Ursprünge der Automatisierung aufzeigen,

bedeutend. Sukzessiv entwickelten sich verschiedene Teilgebiete, die im Verlauf

dieses Kapitel aufgeführt werden. Sie führten zu der Automatisierung als Ganzes,

wie sie heute vorliegt und viele Bereiche der gegenwärtigen Lebenswelt bestimmt.

Der Fokus des zweiten Kapitels ist prinzipiel auf Roboter gerichtet. Anfangs

werden jedoch die Grundlagen der inzwischen vorfindbaren Automatisierung

aufgezeigt, um daraufhin den Zusammenhang zwischen der Automatisierung und

Robotern darzulegen. Im Anschluss wird ein Bogen von der anfänglichen Vision

von Robotern, über deren Funktion innerhalb der Automatisierung bis zur

wissenschaftlichen Disziplin Robotik, gespannt. Die Wissenschaft der Roboter hat

in der Entwicklung bereits wesentliche Fortschritte erzielt. Roboter haben

inzwischen zum Teil die Fabrikhal en verlassen und erobern ganz andere

Bereiche. Wie es dazu kam und welche Anwendungsfelder diese unterdessen

erschließen, behandelt der letzte Teil dieses Kapitels.

Das dritte Kapitel, der didaktische Rahmen der Arbeit, führt zunächst den

Technikunterricht als al gemein bildenden Unterricht auf. Da sich die Robotik der

Informationstechnik zuordnen lässt, wird im Anschluss daran die Stel ung der

Informationstechnik innerhalb technischer Sachsysteme untersucht. So kann

deren mögliche Relevanz für eine al gemeine technische Bildung überprüft

werden.

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3

Im dritten, bedeutenden Teil dieses Kapitels werden Möglichkeiten aufgeführt, mit

Hilfe der informationstechnische Aspekte der Robotik erschlossen werden können.

Insbesondere eine dieser Möglichkeiten, Gegenstandsbereiche der Robotik im

Technikunterricht umzusetzen, wird detail ierter in Erwägung gezogen. Dabei

handelt es sich um ein Bauset der ,,Computing" Reihe mit der Bezeichnung

,,ROBO Mobile", aus dem Hause fischertechnik. Das Kapitel schließt mit einem

möglichen Rahmen, innerhalb dem informationstechnische Inhalte der Thematik

Robotik im Sinne technischer Bildung, Einzug in das schulische Lernumfeld der

Realschule erhalten könnte.1

2 Auf dem Weg zur Automatisierung

2.1 Ursprünge der Automatisierung

In der Entwicklung der Technik lassen sich drei Stufen bezüglich des

Entwicklungsstandes der Energieerzeugung unterscheiden. Erst mit der dritten

Stufe war eine Automatisierung im eigentlichen Sinne realisierbar.

Während für die erste Stufe menschliche oder tierische Muskelenergie, Wind-,

Wasser- und Feuerkraft kennzeichnend sind, wird die zweite mit der Erfindung der

Dampfmaschine eingeleitet. Die dritte Stufe beginnt mit der Entwicklung

elektrischer Stromerzeugung, die letztendlich die Grundlage für die elektrische

Steuerung der ersten elektrischen Rechenmaschine bis hin zur Entwicklung des

ersten Einchip- Mikroprozessors war. Die rasche Entwicklung der Mikroelektronik

fand zahlreiche Anwendungsbereiche in industriel en Regelungs- und

Steuerungssystemen. Da mit Hilfe von Computern Information in Form von Daten

verarbeitet werden kann, bilden sie einen unentbehrlichen Bestandteil der

heutigen Automatisierung. Zwar ermöglichte erst die dritte Stufe die

Verwirklichungen der Automatisierung, jedoch basiert sie auf Teilbereichen die

sich ebenso in den ersten beiden Stufen herausbildeten. Um die Automatisierung

als Ganzes zu verstehen, ist es daher erforderlich sich zunächst mit den

Ursprüngen zu befassen.

1 Vgl. http://www.lehrer-online.de/687748.php?sid= 4826365545935776012090720 0720550 [Stand:

18.04.08]; http://www.ifrstat.org/downloads/20071023_Pressinfo_german.pdf [Stand 23.03.08]; Brockhaus

Enzyklopädie (1967: 156)

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4

2.1.1 Der Mensch ein Technologe (Vom Werkzeug zur Maschine)

Der Mensch unterscheidet sich von al en anderen Lebewesen aufgrund der

Befähigung, Materialien, Naturkräfte, Naturgesetze und Erscheinungen der

physischen Welt zu seinem Nutzen einzusetzen. Er nutzt diese Fähigkeit um sich

selbst künstliche Hilfsmittel zu schaffen, die es ihm ermöglichen, seine Umwelt

seiner Zielsetzung entsprechend, zu gestalten.

Mittels Beobachtung und Verstand schufen sich bereits Steinzeitmenschen

einfache Werkzeuge, beispielsweise Jagdwaffen oder Steinbohrer, die ihre

Leistungsfähigkeit und ihre natürlichen Kräfte steigerten. Durch Herstel ung und

Nutzung von Werkzeugen wurden Menschen zu Technologen, die zunehmend

Handarbeit durch Maschinenarbeit zu ersetzen wussten. Der Keil, der Hebel, die

Rol e, das Feuer, das Rad usw. waren wichtige Schritte, die jedes Mal

Änderungen in Arbeits- und Herstel ungsverhältnissen verursachten.

Im 15. Jahrhundert wandelten zunehmend Windmühlen oder Wasserräder in der

Natur vorkommende Energieformen um, die für unterschiedliche Arbeiten, wie das

Bewegen eines Mühlsteins, eingesetzt werden konnten.

Mit der beginnenden Mechanisierung Mitte des 18. Jahrhunderts konnte

menschliche und tierische Muskelkraft zu vervielfacht werden. Zu verrichtende

Arbeit wurde durch Nutzung von Hebelkraft und Energie nicht nur leichter und

sicherer, sondern versetzte den Menschen ebenso in eine steuernde Position.

Einfache mechanisierte Geräte wurden von ihm bedient, der Arbeitsablauf damit

also gesteuert. Auch Produktionsmethoden konnten durch den Einsatz erster

wasserkraftbetriebener Maschinen, wie die Spinnmaschine, verbessert werden.

Mit der Bedienung von Maschinen war der Mensch al erdings räumlich und zeitlich

noch an den zu steuernden Prozess gebunden.

2.1.2 Automaten der Antike und des 18. Jahrhunderts

Bereits unsere Vorfahren in der Antike haben sich mit der Problematik der

räumlichen und zeitlichen Gebundenheit befasst und einige bemerkenswerte

Systeme, wie bewegliche Masken, Figuren et cetera, entwickelt. Abbildung 1

veranschaulicht ein durchaus nennenswertes System von HERON von Alexandria.

Wenn die Flamme auf dem Altar brannte, dehnte sich Luft durch die Hitze aus,

---

5

wodurch Wasser aus dem ersten

Behälter in den zweiten gedrückt

wurde. Die Masse dieses Behälters

überstieg nach einer gewissen Zeit

die Masse des Gegengewichts, so

dass die Türen über das Getriebe

geöffnet wurden. Die Beherrschung

einfacher, mechanischer Prinzipien,

sowie Kenntnisse über Luftdruck

und Spannkraft, ermöglichten die

Entwicklung solch selbstständig

arbeitender Systeme.

Abb. 1

Der automatische Türöffner

Etwa 100 Jahre und länger vor

unserer Zeitrechnung entstanden bereits solche mechanischen Systeme, die

lediglich einer äußeren Anregung bedurften. Ohne jede weitere Steuerung trat

eine gewünschte Ereignisabfolge ein. Automaten, wie der automatische Türöffner,

wurden damals jedoch als Wunder zur Untermauerung von Machtpositionen oder

zur Unterhaltung eingesetzt. Da ihre Nützlichkeit nicht im Vordergrund stand,

wurden sie auch nicht in der Produktion eingesetzt.

Anfang des 14. Jahrhundert hatte mit der Erfindung

der mechanischen Uhr, die Entwicklung der

Feinmechanik begonnen. Die Uhrmacher des 18.

Jahrhunderts nutzten

diese Kenntnisse

um

Automaten, mithilfe komplexer Uhrwerke, Leben

einzuhauchen. So auch ein bedeutender Erfinder

namens JAQUES DE VAUCANSON, der im 18.

Jahrhundert, auch bekannt als das goldene Zeitalter Abb. 2

Die Mechanische Ente

der Automaten, mehrere mechanische Automaten

entwickelte. Diese genialen Automaten konnten verschiedene Arbeitsschritte in

der gewünschten Abfolge ausführen. Bei der in Abbildung 2 dargestel ten

mechanischen Ente, die vielfach als sein Meisterwerk bezeichnet wurde, handelt

es sich um einen solchen Automaten. Diese Ente konnte Körner fressen, sie in

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6

einem künstlichen Darm ,,verdauen" und in naturgetreuer Konsistenz wieder

ausscheiden. Eine für die Zukunft bedeutendere Entwicklung war ein Webstuhl, für

den VAUCANSON eine Vorrichtung konstruierte, die vol automatisch arbeitete. Diese

Vorrichtung wurde al erdings nie al gemein bekannt. Die Besonderheit stel ten

perforierte Papierstreifen dar, die den Durchlauf der Nadeln dieses Webstuhls

kontrol ierten. Sie enthielten Informationen in Form von unterschiedlich

angeordneten Lochungen, die von dem Webstuhl gelesen und umgesetzt werden

konnten.

Ende der 1790er Jahre vol endete JOSEPH JACQUARD seinen Entwurf, die Arbeit

von Webstühlen zu automatisieren. Auf seine Erfindung bekam er 1802 ein

Patent, weswegen automatisierte Webstühle von da an unter der Bezeichnung

JACQUARD- Webstuhl bekannt wurden. Bei der Weiterentwicklung der Webstühle

zu Einrichtungen, die auch in der Industrie einsetzbar waren, berücksichtigte

JACQUARD al erdings auch VAUCANSONS Idee der automatischen Steuerung von

Webstühlen.

Mit Hilfe aneinander gereihter Lochstreifen wurde die Tätigkeit dieser Maschinen

gesteuert, wodurch sie anhand eines vorgegebenen Programms, ohne die

unmittelbare Mitwirkung eines Webers, arbeiteten. Die Webstühle konnten auf

diese Art und Wiese nicht nur gesteuert, sondern auch umgerüstet, also

programmiert werden: Andere Informationen, bzw. anders angeordnete

Lochungen auf einem Papierstreifen, bewirkten eine andere Umsetzung. Diese Art

der Steuerung, die auf dem Einsatz von Lochstreifen oder Lochkarten basierte,

sol te auch für den ersten programmgesteuerten Computer eine wesentliche Rol e

spielen.2

2.1.3 Der erste programmierbare Computer

Nachdem mit der Erfindung der Dampfmaschine das Industriezeitalter im 19.

Jahrhundert begonnen hatte, eröffneten die Entdeckung der Elektrizität und die

Erfindung der Elektrotechnik schon bald weitere zahlreiche Möglichkeiten. Erste

2 Vgl. Rationalisierungs-Kuratorium der Deutschen Wirtschaft (1957: 9-10); Barth/ Maertens (1985: 9-10;

12-14; 18); Junge (1989: 4-5); Ichbiah (2005: 12; 16-18)

---

7

Versuche, den Arbeitsablauf von Maschinen elektrisch zu steuern, schlossen sich

an.

Um zeitraubende Rechenvorgänge zu vereinfachen, wurden die ersten

mechanischen Rechenmaschinen bereits im 17. und 18. Jahrhundert konstruiert.

Die Erfindung der ersten elektrischen Rechenmaschine bzw., des ersten

Computers

im

modernen

Sinne

geht

auf

eine

reich

verzweigte

Entwicklungsgeschichte zurück. Als Grundlage für die Steuerung anfänglicher

Rechenautomaten diente VAUCANSONS Erfindung, Löcher oder Schlitze zu nutzen,

um in Kombination mit Nadeln, Taststiften oder Lichteinfal , mechanische Schalter

auszulösen. Auch die sich paral el entwickelnden mathematischen Grundlagen,

insbesondere die Zahlentheorie, spielten eine Rol e. Einen weiteren Zweig stel te

die Erfindung des elektrischen Relais′ und dessen Weiterentwicklung als

Verstärker und Koppler dar, die schließlich zu verschiedenen erforderlichen

elektronischen Bauteilen führten.

Als Pionier in der Ära der Computermaschinen gilt der Mathematiker CHARLES

BABBAGE. Schon lange fesselte ihn die Idee mechanische Rechenmaschinen

vol ständig zu automatisieren. Auf den Grundlagen von BABBAGE konstruierte

SCHEUTZ, ein schwedischer Ingenieur, einen Automaten, der jedoch nur ein

einziges Programm bewerkstel igen konnte. In einem weiteren Schritt wol te

Babbage eine Maschine konstruieren, die nach der Eingabe eines Programms ihre

Berechnungsschritte selbst organisieren konnte. Zur Programmierung der

Aufgaben wol te er Lochkarten verwenden, wie sie bei den JACQUARD- Webstühlen

zum Einsatz gekommen waren. Gedanklich war BABBAGE seiner Zeit weit voraus.

Tatsächlich zeigten die Pläne seiner Maschine Anwendungsbereiche auf, die erst

mit der Computertechnologie der 1950er Jahre aufkommen sol ten. Eine Hürde

stel te zu dieser Zeit jedoch die praktische Umsetzung dar. Seine theoretischen

Grundlagen konnten auf keinerlei Weise in funktionierende Rechenmaschinen

umgesetzt werden.

Erst mit der Entwicklung des Telefonrelais als neues Bauteil stand der technische

Durchbruch bevor. KONRAD ZUSE, ein Deutscher, verwendete als erster Relais in

Rechenmaschinen. Nach Versuchen mit seinen Rechnern Z1 und Z2 entwarf er

1939 eine Rechenmaschine, die nahezu komplett aus elektromagnetischen Relais

bestand. Vol endet wurde sie 1941 und trug die Bezeichnung Z3. Bei dieser

programmgesteuerten Rechenmaschine handelte es sich um den ersten

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