Die Entwicklungsgeschichte computergesteuerter Arbeitsmaschinen

Ihre Rolle für die Gesellschaft und die Herausforderung ihrer Entwicklung am Beispiel einer von LEGO® Mindstorms gesteuerten Containerbrücke basierend auf dem Apple iPad Spiel "Cargo-Bot"

Jann-Niklas Zimmermann

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2019
• ISBN drucken: 9783749499663
• eBook-ISBN: 9783750463998
• Auflage: 1
• Thema: Informatik
• Thema: Informationstechnologie

Die Entwicklungsgeschichte computergesteuerter ArbeitsmaschinenIhre Rolle für die Gesellschaft und die Herausforderung ihrer Entwicklung am Beispiel einer von LEGO® MINDSTORMS® gesteuerten Containerbrücke basierend auf dem Apple® iPad® Spiel "Cargo-Bot"

1 Einführung, Problemstellung und Aufbau der Arbeit

„Wenn jedes Werkzeug auf Geheiß, oder auch vorausahnend, das ihm zukommende Werk verrichten könnte, wie des Dädalus Kunstwerke sich von selbst bewegten oder die Dreifüße des Hephästos aus eigenem Antrieb an die heilige Arbeit gingen, wenn so die Weberschiffe von selbst webten, so bedarf es weder für den Werkmeister der Gehilfen noch für die Herren der Sklaven.“

Aristoteles, Politik, 1253b¹

Dies wurde vor mehr als 2000 Jahren von Aristoteles gedacht. Man erkennt den Traum der Menschheit, Arbeit zu vereinfachen und zu automatisieren, so dass der Mensch weniger tun muss.

Ein gutes Beispiel ist die Entwicklung des Pflugs. Zuerst hatte man eine Stange um das Feld umzugraben. Mit der Kombination der Stange mit zwei schiefen Ebenen wurde ein Pflug daraus, der erst durch den Menschen und später durch ein Zugtier angetrieben wurde. Später konnte man einen Traktor vor den Pflug spannen und somit mehrere Pflüge gleichzeitig benutzen, um eine größere Fläche schnell umzugraben. Bis hierhin wurde die Steuerung durch einen Menschen übernommen. Mittlerweile muss der Mensch das nicht mehr machen. Man kann die Traktoren durch einen Computer steuern lassen, welcher über GPS-Koordinaten seine Route abfährt.

Der nächste Schritt in der Automatisierung von Maschinen findet sich heute im „Internet der Dinge“.² Diese Idee stammt von Kevin Ashton, dem Leiter des Auto-ID Center am Massachusetts Institute of Technology, der diese 1999 erwähnte. Maschinen sollten fähig sein, unabhängig vom Menschen handeln zu können. Zum Beispiel soll ein Kühlschrank seinen Inhalt scannen und selbstständig nachbestellen, was fehlt.

In dieser Facharbeit möchte ich die Entwicklungsgeschichte und Bedeutung computergesteuerter Arbeitsmaschinen aufzeigen und die Herausforderungen bei der Entwicklung einer computergesteuerten Arbeitsmaschine darstellen. Hierzu werde ich eine computergesteuerte Arbeitsmaschine entwickeln. Diese Arbeitsmaschine soll das Apple iPad Spiel „Cargo-Bot“ darstellen.

1.1 Problemstellung

Neben dem fächerübergreifenden Aspekt der Bedeutung von Arbeitsmaschinen für die Gesellschaft sind es die nachfolgenden Fragestellungen, die es bei der Entwicklung einer computergesteuerten Arbeitsmaschine zu beantworten gilt:

• Wie funktioniert eine computergesteuerte Arbeitsmaschine?
• Aus welchen Komponenten besteht eine computergesteuerte Arbeitsmaschine?
• Wie kommunizieren die Komponenten miteinander?

1.2 Aufbau der Arbeit

Um die oben dargestellten Fragen zu beantworten, werde ich zuerst den Begriff Maschine/Arbeitsmaschine definieren, ihre Komponenten darstellen und ihre Entwicklungsgeschichte kurz aufzeigen.

Anschließend folgt eine kurze Erklärung des Apple iPad-Spiels „Cargo-Bot“. Hierbei werde ich weiter darauf eingehen, welche spezielle Arbeitsmaschine der „Cargo-Bot“ ist und aus welchen Teilen er besteht.

Schließlich komme ich zur Entwicklung und Programmierung der LEGO Roboterteile, mit denen ich das Apple iPad-Spiel nachbaue. Abschließend folgen noch eine kurze Zusammenfassung und ein Ausblick, wie man das Projekt weiterentwickeln könnte.

Ergänzend enthält der Anlagenteil die Teilelisten der Roboterkomponenten und deren Bauanleitungen sowie die Programmcodes der Steuerprogramme, eine Liste der verwendeten Programme sowie eine Tabelle, in der die Codierung der Befehle dargestellt ist. Zusätzlich liegt eine kurze Anleitung zur Herstellung eigener LEGO MINDSTORMS Kabel bei.

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¹ Aristoteles, http://www.otium-bremen.de/js/index.htm?/autoren/a-aristoteles.htm [Stand: 06.10.2013]

² Vgl. http://www.internet-der-dinge.de/ [Stand: 06.10.2013]

2 Entwicklungsgeschichte und Bedeutung computergesteuerter Arbeitsmaschinen für die Gesellschaft

2.1 Arbeitsmaschinen – Begriffsbestimmung

Eine Maschine ist ein von Menschen geschaffenes Objekt, welches als Arbeitshilfe fungiert. Jede Maschine besteht aus einer Steuereinheit, einem Antrieb und einer Vielzahl kombinierter einfacher Maschinen³ (Seil/Stange, Hebel, Rolle, schiefe Ebene). Sobald eine Maschine durch einen antreibenden Motor mit Energie versorgt wird, wird sie als Arbeitsmaschine bezeichnet.⁴

Der Sinn solcher Maschinen ist es, die zu verrichtende Arbeit zu vereinfachen, zu beschleunigen oder effizienter zu gestalten.

Man kann sagen, dass jede Maschine aus den gleichen Komponenten aufgebaut ist: Dem Antrieb, der Steuerung und der Mechanik, die den Antrieb umsetzt und die Arbeit verrichtet. Auch ist die Kombination von Maschinen von Bedeutung.

2.2 Entwicklungsgeschichte von Arbeitsmaschinen aus der Sicht ihrer Komponenten

2.2.1 Antrieb – von der Muskelkraft zum Motor

Anfänglich gab es die „Einfachen Maschinen“⁵ (Seil/Stange, Hebel, Rolle, schiefe Ebene), aus denen man komplexere gebaut hat. Für den Bau, z.B. von Gebäuden, hat man mithilfe solcher Maschinen einfache Kräne gebaut, um größere Lasten zu bewegen. Um ein Feld zu pflügen, baute man aus schiefen Ebenen und Stangen einen Pflug. Ursprünglich wurden sowohl die einfachen als auch die komplexen Maschinen mit Muskelkraft angetrieben.

Später benutzte man vermehrt die Natur als Antriebskraft. Zum Beispiel wurden seit dem 5. Jh. v. Chr. Mühlen durch Wasser⁶-/ und seit dem 9. Jh. mit Windkraft angetrieben. Die Windkraft ist generell vom Wind und seiner Richtung abhängig. Die Wasserkraft ist standort- und jahreszeitenabhängig.

Mit der Erfindung der Dampfmaschine⁷ 1778 war man in der Lage, standort- und jahreszeitenunabhängig, größere, komplexere, schwerere Maschinen anzutreiben.

Dies wurde 1816 mit der Erfindung des Stirlingmotors weiter revolutioniert. Im Laufe der Zeit wurde der Motor weiter entwickelt. Vom Elektro- zum Otto- und schließlich zum Dieselmotor, mit dem Vorteil, effizienter zu werden.

Der Motor hat mehrere Vorteile gegenüber der Muskelkraft. Er ist unermüdlich, kann somit ohne Pause Tag und Nacht arbeiten. Der Schritt, Maschinen mit Motoren anzutreiben, machte die Menschen standort- und naturunabhängig.⁸

2.2.2 Steuerung – von der manuellen zur computergestützten Steuerung

Ein bereits aufgeführtes Beispiel macht die manuelle Steuerung deutlicher: Ein Pflug wird durch einen Ochsen per Muskelkraft angetrieben. Der Ochse würde ohne Einwirkung des Menschen geradeaus laufen. Hier ist der Mensch für den Richtungswechsel verantwortlich.

Ein weiteres Beispiel ist die Windmühle. Damit sie richtig funktioniert, muss der Müller die Flügel in den Wind drehen. Das Problem an dieser manuellen Steuerung ist, dass der Müller ständig auf den Wind achten und die Mühle nachjustieren muss. Geschieht dies nicht, könnte die Mühle ...

Inhaltsverzeichnis

• Danksagung
• Inhaltsverzeichnis
• 1. Einführung, Problemstellung und Aufbau der Arbeit
• 2 Entwicklungsgeschichte und Bedeutung computergesteuerter Arbeitsmaschinen für die Gesellschaft
• 3. Herausforderungen bei der Entwicklung einer computergesteuerten Arbeitsmaschine
• 4. Zusammenfassung und Ausblick
• 5. Literatur- und Quellenverzeichnis
• 6. Abbildungsverzeichnis
• 7. Sachregister
• 8. Anhang
• 9. Selbständigkeitserklärung
• Impressum