Die Robotik befindet sich seit vielen Dekaden in einem Aufwärtstrend. Anfänglich vorwiegend in Science-Fiction-Filmen, wird die Anwesenheit von Automatisierungstechnik und technischen Helfern aller Art zunehmend realer; sie begleitet uns bereits in der industriellen Fertigung, in der Unterhaltungstechnik und immer öfter auch in Küchengeräten, Smartphones und anderen Utensilien des täglichen Lebens. In Fahrzeugen haben dabei die Systeme im Gegensatz zu vielen anderen, oft der Unterhaltung gewidmeten Bereichen, die Aufgabe, den Fahrer nicht nur mehr Komfort, sondern auch mehr Sicherheit zu bieten. Dabei kommen Fahrerassistenzsysteme zum Einsatz, welche in erster Linie Abstände zu vorausfahrenden Fahrzeugen, aber auch seitlich oder hinter dem Fahrzeug überwachen, das Einparken vereinfachen oder sogar selbst durchführen. Dafür befinden sich in heutigen Fahrzeugen eine große Bandbreite von Mikrocontrollern und Prozessoren, welche die Sensoren überwachen, Aktoren schalten und miteinander kommunizieren oder dem Fahrer wichtige Informationen gegliedert und übersichtlich darstellen.
Doch in der Robotik wird auch in ein anderes Gebiet immer weiter vorgestoßen: in den Bereich von Atomen und Molekülen. Die Robotik wächst gewissermaßen in immer kleinere Bereiche, wobei hier die Fertigung von Nanostrukturen im Vordergrund steht.
In der vorliegenden Arbeit wird ein kommerzielles Robotersystem, bestehend aus drei Modulen mit je einem eigenen Mikrocontroller der Atmel-Familie vorgestellt. Dieses System wird durch einige Komponenten – Sensoren und Aktoren – erweitert und mittels Bluetooth von einem PC (Personal Computer) überwacht. Das hierfür verwendete Programm wird in LabView erstellt und übernimmt die Aufgaben der Visualisierung aller Sensordaten, ermöglicht die Fernsteuerung des Roboters durch den Benutzer, sowie die Durchführung und Koordination automatisierter Routinen.
Des Weiteren wird eine dieser Routinen, welche eine Bildverarbeitung beinhaltet, auf ein Gebiet der Nanostrukturierung angewandt: Es sollen mittels Rastertunnelmikroskopie Kohlenstoffmonoxydmoleküle (CO-Moleküle) auf einer Kupferoberfläche automatisiert gefunden und deren Positionen ausgegeben werden.
Die weiterführende Idee dabei ist, dass diese Moleküle einmal aufgenommen und zu ganzen Schaltungen und Gattern zusammengefügt werden können.
Damit beginnt der Schritt von der Automatisierungstechnik eines Roboters zur automatisierten Strukturierung in der Nanometerskala.
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung in Idee und Aufbau der Arbeit
2. Details des Roboters
2.1 Grundsätzliche Strukturen eines C-Programms für Mikrocontroller
2.2 Controllersysteme mit einem Master und Slave(s)
2.3 Die Basiseinheit des RP6
2.3.1 Aktoren
2.3.2 Sensoren
2.3.3 Programm
2.4 Die Erweiterung „M32“
2.4.1 Aktoren
2.4.2 Sensoren
2.4.3 Programm
2.5 Die Erweiterung „M128“
2.5.1 Aktoren
2.5.2 Sensoren
2.5.3 Programm
2.6 Andere Module als Master
2.7 Mechanische und elektronische Erweiterungen
2.7.1 Stoßstange hinten
2.7.2 Scheinwerfer
2.7.3 Bluetooth-Modul BTM222
2.7.4 Akkuanzeige
2.7.5 Das Snake Vision Modul
2.7.6 2D- IR- Abstandssensor auf Servomotoren
2.7.7 Funkkamera auf Servomotoren
2.7.8 Ultraschall-Abstandssensor SRF02
2.7.9 Neue Erweiterungsplatine „M64“
2.7.10 Das Gehäuse
2.8 Das Gesamtkonzept des Roboters
3. Das LabView-Programm
3.1 Die LabView-Entwicklungsumgebung
3.2 Grundaufbau des Programms
3.3 Senden und Empfangen von Daten
3.4 Befehlsverwaltung
3.5 Hauptschleife
3.5.1 Fernsteuerung durch Tastatur
3.5.2 Fernsteuerung mittels einer TV-Fernbedienung
3.5.3 Umherfahren und Ausweichen
3.5.4 Wärmequellensuche
3.5.5 Lichtquellensuche
3.5.6 Einhalten von Abständen
3.5.7 Direkteingabe von Befehlen
3.5.8 Aktivieren von Routinen durch Taster am RP6
3.6 Tongeber
3.7 Abstandserkennung
3.8 LEDs und I/Os
3.9 Einbinden eines Kamerabildes
3.10 Frontpanel
3.11 Probleme und Lösungen
4. Anwendungsmöglichkeiten in der Nanostrukturierung
4.1 Das Rasterkraftmikroskop
4.2 Verwendete Proben und Methoden
4.3 Bildverarbeitungsalgorithmen
4.4 Das LabView-Programm
5. Resümee und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Programmierung einer Fernsteuerung sowie die Implementierung von Automatisierungsroutinen für ein mechanisch und elektronisch erweitertes, kommerzielles Robotersystem. Unter Verwendung der LabView-Entwicklungsumgebung soll ein System geschaffen werden, das Daten visualisiert, den Roboter koordiniert und schließlich auf Anwendungen in der Nanostrukturierung, spezifisch bei der Manipulation von Molekülen auf Oberflächen mittels Rasterkraftmikroskopie, ausgerichtet ist.
- Architektur und Master-Slave-Kommunikation von Mikrocontrollern
- Mechanische und elektronische Hardwareerweiterungen am Roboter
- Programmierung grafischer Benutzeroberflächen und Kontrolllogik in LabView
- Integration von Sensorik und Bildverarbeitung zur automatisierten Objektsuche
Auszug aus dem Buch
2.2 Controllersysteme mit einem Master und Slave(s)
Werden in einem System mehrere Mikrocontroller verwendet, gibt es verschiedene Formen, um diese miteinander agieren zu lassen. Das am häufigsten verwendete Modell, welches auch hier seine Anwendung findet, ist das hierarchisch aufgebaute Master-Slave-Modell [21]. Dabei wird ein Mikrocontroller als Kopf, also Master, des Systems bestimmt, während alle weiteren Mikrocontroller als ausführende Organe, also Slaves, fungieren.
Die Slaves können dabei in vielen Teilbereichen autonom handeln, sind aber auf Anordnungen des Masters angewiesen und geben ihre ermittelten Daten in der Regel an ihn weiter. Es muss erwähnt werden, dass es auch Mischformen gibt, wenn etwa ein Mikrocontroller als Knoten- und Angelpunkt eines Masters fungiert und alle weiteren Datenkommunikationen über ihn laufen. Somit ist er – aus Sicht der ihm angegliederten Mikrocontroller – ein Master, der jedoch seinerseits einem anderen System unterstellt ist.
Diese Situationen sind in Abbildung 1 vereinfacht dargestellt, wobei die Verzweigungen in realen Systemen oft stark erweitert sein können.
Auch das hier verwendete System entspricht einer solchen, erweiterten Master-Slave-Beziehung. Der Computer übernimmt die Rolle des Masters, welcher nur mit einem Mikrocontroller, dem Master-Slave, kommunizieren kann. Dieser Mikrocontroller regelt dann jede weitere Aktion des Roboters, trägt alle Sensordaten zusammen und sorgt für eine funktionierende Kommunikation mit seinem Master (siehe Abbildung 2).
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einführung in Idee und Aufbau der Arbeit: Diese Einführung beleuchtet den Fortschritt der Robotik und skizziert das Ziel, ein kommerzielles Robotersystem für die Nanostrukturierung anzupassen.
2. Details des Roboters: Dieses Kapitel erläutert die Hardware-Architektur, das Master-Slave-Modell und die spezifischen mechanischen sowie elektronischen Erweiterungen des RP6-Roboters.
3. Das LabView-Programm: Es wird die Programmierung der Steuerungssoftware in LabView detailliert beschrieben, einschließlich der Kommunikation, Befehlsverwaltung und spezifischer Sensor-Routinen.
4. Anwendungsmöglichkeiten in der Nanostrukturierung: Dieser Teil beschreibt den praktischen Einsatz des entwickelten Systems bei der automatisierten Bildverarbeitung und Molekülsuche im Kontext der Rasterkraftmikroskopie.
5. Resümee und Ausblick: Hier werden die Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst und Potenziale für zukünftige Erweiterungen, etwa in der Navigation oder weiteren Sensorintegration, aufgezeigt.
Schlüsselwörter
Robotik, Master-Slave-Modell, Mikrocontroller, LabView, Fernsteuerung, Automatisierung, Rasterkraftmikroskopie, Bildverarbeitung, Sensortechnik, Nanostrukturierung, RP6, Hardwareerweiterung, Datenkommunikation, Vision Assistant, Systemsteuerung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Anpassung eines kommerziellen Robotersystems (RP6) durch hardwareseitige Erweiterungen und eine umfangreiche Softwaresteuerung in LabView, um den Roboter für automatisierte Aufgaben, insbesondere in der Nanostrukturierung, einzusetzen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Zentral sind die Robotik, die Mikrocontroller-Programmierung (C), die systemübergreifende Datenkommunikation sowie der Einsatz von LabView zur Bildverarbeitung und Prozessautomatisierung.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Realisierung einer funktionsfähigen Fernsteuerung und Automatisierungseinheit für den Roboter, die in der Lage ist, Moleküle auf Oberflächen automatisiert zu finden und deren Positionen auszugeben.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt den konstruktiven Ansatz der Hardware-Systemintegration in Kombination mit einer softwarebasierten Automatisierungsentwicklung sowie die Anwendung bildverarbeitender Algorithmen (Pattern Matching) im Vision Assistant.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die detaillierte Hardwarebeschreibung (Modulaufbau, Sensoren, Aktoren), die Entwicklung der LabView-Software (Hauptschleife, Routinen, Datenfluss) und die Anwendung dieser Methoden auf ein konkretes Beispiel der Nanotechnologie.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Robotik, Master-Slave-Modell, Mikrocontroller, LabView, Fernsteuerung, Automatisierung, Rasterkraftmikroskopie, Bildverarbeitung und Nanostrukturierung.
Wie kommunizieren der Computer und der Roboter miteinander?
Die Kommunikation erfolgt über eine serielle Schnittstelle bzw. Bluetooth, wobei der Computer als übergeordneter Master fungiert, der Befehle an das Master-Slave-Modul M128 des Roboters sendet.
Warum wird für das Projekt ein Master-Slave-Modell genutzt?
Das hierarchische Modell erlaubt eine klare Strukturierung der Aufgaben: Der Master koordiniert das System, während spezialisierte Slaves (wie Basismodul oder M32) für spezifische, lokal begrenzte Steuerungsaufgaben wie Sensorabfragen oder Motoransteuerungen zuständig sind.
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- B.Sc. Fabian Queck (Author), 2012, Entwicklung und Programmierung einer Robot Remote Control in LabVIEW: Anwendungen in der Nanostrukturierung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/196103
