Wie fährt ein Saugroboter?

Nach welchem Prinzip fährt ein Saugroboter?

ID 140398576 © Oleg Zaikin | Dreamstime.comAuch wenn die Robotertechnik allgemein inzwischen schon recht weit fortgeschritten ist, begegnen ihr viele Menschen immer noch mit etwas Skepsis. Wie kann dieses Ding ganz ohne (sichtbaren) menschlichen Einfluss seine Arbeit verrichten? Warum bewegt es sich überhaupt und wodurch werden diese Bewegungen gesteuert?

Grundsätzlich gilt: Die reinen Fahrbewegungen - also der Antrieb - sind beim Saugroboter relativ einfach nachvollzieh- und erklärbar. Der verbaute Elektromotor treibt eine oder mehrere Rollen an (in der Regel über einen Riemen), die dann wiederum die Antriebskraft auf den Boden überträgt. Das bedeutet: Die vom Motor angetriebene Rolle wirkt wie ein Antriebsrad beim Auto und sorgt so dafür, dass sich der Saugroboter vorwärts bewegt. Durch die Drehzahl des Elektromotors kann die Geschwindigkeit der Vorwärtsbewegung reguliert werden.

Doch das ist längst nicht alles!

Wäre die Technik so simpel gestrickt, würde sich der Saugroboter bei jedem Hindernis festfahren, von Treppenabsätzen fallen und seine Arbeit nicht wie gewünscht verrichten. Was ist also technisch noch alles notwendig, damit das Gerät nahezu jeden Winkel erreicht, bei Hindernissen automatisch einen anderen Weg einschlägt und nach der Arbeit automatisch zu seiner Basisstation zurückkehrt, um sich aufzuladen?

Sensoren: Die „Augen“ des Saugroboters

Saugroboter verwenden keine Kameras, um sich zu orientieren. Stattdessen besitzen sie verschiedene Arten von Sensoren, um die Welt um sich herum und ihren eigenen Fahrweg zu erfassen und zu messen. Darunter befinden sich Kippsensoren, Stoßsensoren, Wandsensoren und optische Drehgeber. Hier einige Infos zu den einzelnen Typen von Sensoren:

  • Kippsensoren messen den Abstand zwischen der Roboterbasis und dem Boden, in der Regel durch das Auftreffen von Infrarotlicht auf den Boden. Bei einer plötzlichen Vergrößerung des Abstandes zum Boden, d. h. der Roboter nähert sich einer Treppenkante oder ähnlichem, stoppt das Gerät, um nicht darüber zu fallen. Daher wird diese Art von Sensoren auch als Absturzsensoren oder Klippensensoren bezeichnet.
  • Auch der Name der Stoßsensoren verrät, was diese elektronischen Bauteile tun: Wenn der Saugroboter gegen ein Hindernis (wie eine Wand oder ein Stuhlbein) stößt, löst der Aufprall den Sensor aus.
  • Wandsensoren funktionieren ähnlich wie Kipp- bzw. Absturzsensoren. Allerdings sagt der Sensor dem Gerät hier nicht, es soll umkehren, sondern befiehlt ihm, der Wand oder dem Objekt zu folgen.
  • Sehr wichtige Bauteile bei einem Saugroboter sind optische Drehgeber. Diese Sensoren an den Rädern des Gerätes zeigen ihm an, wie weit er gefahren ist. Sie werden auch als optische Encoder bezeichnet, weil sie mit einem Lichtsensor erkennen, wie oft sich die Räder gedreht haben. Daraus (und aus jedem Unterschied zwischen den Rädern, der auf eine Kurve hinweist) kann der Roboter herausfinden, wie weit er gefahren ist.
  • Die verschiedenen Modelle können zusätzliche Sensoren beinhalten - z. B. einen Staubscanner, um zu erkennen, wie viel Staub aufgenommen wird. Die zuvor beschriebenen Bauteile stellen jedoch die grundlegenden Sensoren dar, welche alle Saugroboter beinhalten.

Wovon leitet sich die Steuerung von Saugrobotern ab?

Die meisten modernen Saugroboter verdanken ihre Funktionsweise und ihre „elektronische Intelligenz“ der Arbeit von Rodney Brooks, einem Robotikern am MIT und gleichzeitig Gründer von iRobot, einem der Pioniere in der Entwicklung und Herstellung von Saugrobotern.

Brooks studierte einfache Tiere wie Insekten und Plattwürmer, um sich von komplexeren Strukturen in der Künstlichen Intelligenz (KI) zu lösen und sich auf die Grundlagen der Intelligenz zu konzentrieren. Beispiel Ameisen: Brooks erkannte, dass eine einzelne Ameise nicht gerade klug ist, dennoch navigiert sie nahezu perfekt durch die Welt. Wie kann das sein?

Die Forscher erkannten, dass diese Tiere durch die Befolgung eines einfachen Regelwerks komplexe Verhaltensweisen erzeugen konnten. Eine einzelne Ameise hat nicht viel Intelligenz, aber sie hat ein einfaches Regelwerk, das es ihr erlaubt, nach Nahrung zu suchen, zum Nest zurückzukehren und andere zu führen. Ebenso muss ein Robotersauger nicht die genauen Abmessungen eines Raumes kennen, um ihn zu reinigen. Stattdessen muss er nur „wissen“, wie er in einigen verschiedenen Situationen reagieren muss, um in der Lage zu sein, seine Arbeit zu verrichten.

Diese Regeln wurden in einer Patentanmeldung aus dem Jahr 2002 beschrieben. Sie sind im Grunde extrem einfach gehalten:

  • Die “Gerade-Regel“ sagt dem Roboter, dass er geradeaus fahren soll, bis er auf ein Hindernis trifft.
  • Die „Bounce-Regel“ sagt ihm, dass, wenn er auf etwas trifft, er anhalten, sich in einen definierten Winkel wegdrehen und sich wieder gerade bewegen soll.
  • Die „Spiral-Regel“ sagt ihm, dass er sich in einer Spirale nach außen bewegen und den Boden in sich erweiternden Kreisen reinigen soll.
  • Die „Wall-Following-Regel“ sagt ihm, dass er der Wand folgen soll, indem er die Regeln 1 und 2 abwechselnd anwendet und somit in einer Bahn fährt, bei der die Wand oder das Hindernis ständig eine gewisse Distanz entfernt ist.

Nun wissen wir, wie es der Saugroboter schafft, sich nicht nur vorwärts zu bewegen, sondern diese Bewegungen auch so auszuführen, dass er nicht eingeschränkt wird und seine Aufgabe so gut wie möglich erledigen kann. Technik, die fasziniert!

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