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Die Erfindung betrifft eine Plattform mit einem an der Plattform angeordneten Robotermanipulator und mit einer Aufhängevorrichtung zum Aufhängen der Plattform an einem Tragkörper, sowie eine Flugeinheit mit einem Drehflügler als Tragkörper und mit einer ebensolchen Plattform, und ein Verfahren zum Aussteuern oder Ausregeln von Störungen auf eine Plattform mit einem an der Plattform angeordneten Robotermanipulator und mit einer Aufhängevorrichtung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine genaue Robotermanipulation im Raum zu ermöglichen.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Plattform mit einem an der Plattform angeordneten Robotermanipulator und mit einer Aufhängevorrichtung, wobei die Aufhängevorrichtung dazu ausgeführt ist, die Plattform an einem Tragkörper durch Ausbilden einer Aufhängung zu lagern, sodass unter Schwerkrafteinfluss die Aufhängung eine Pendelbewegung der Plattform gegenüber dem Tragkörper erlaubt, und wobei die Plattform aufweist:
- - eine Steuereinheit,
- - eine Sensoreinheit, die zum Erfassen von Bewegungsdaten der Plattform und zum Übermitteln der Bewegungsdaten an die Steuereinheit ausgeführt ist, und
- - eine Aktuatoreinheit, die zum Ausüben einer Kraft und/oder eines Moments auf die Plattform ausgeführt ist und durch die Steuereinheit ansteuerbar ist,
wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, den Robotermanipulator anzusteuern und die Aktuatoreinheit auf Basis der von der Sensoreinheit erfassten Bewegungsdaten zum Ausüben einer zu einer unerwünschten Bewegung der Plattform entgegengerichteten Kraft und/oder eines entgegengerichteten Moments anzusteuern.
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Die Aufhängevorrichtung weist bevorzugt ein oder mehrere Seilstränge auf, insbesondere Seilstränge aus Polyamidfasern oder Fasern aus ultrahochmolekularem Polyethylen oder aus Polyester oder aus einer Stahllegierung, alternativ aus einem anderen bevorzugten Kunststoff oder metallischem Drahtgeflecht. Alternativ bevorzugt weist die Aufhängevorrichtung eine oder mehrere beidseitig gelenkig gelagerte Stangen auf, bevorzugt aus glasfaserverstärktem oder kohlefaserverstärktem Kunststoff oder aus einem metallischen Werkstoff. Alternativ bevorzugt weist die Aufhängevorrichtung eine oder mehrere Ketten auf. Alternativ bevorzugt weist die Aufhängevorrichtung eine oder mehrere Leinen auf. Im Falle einer bevorzugten Ausführung des Tragkörpers als Flugkörper ist somit in diesen genannten Fällen eine Momentendynamik der Plattform, das heißt eine einem externen Moment oder einer externen Kraft entsprechende Winkelbeschleunigung der Plattform mit dem Robotermanipulator, von einer Momentendynamik des Flugkörpers entkoppelt, insbesondere dann, wenn die Aufhängevorrichtung lediglich an genau einem verdrehbaren Auflagerpunkt am Tragkörper aufgehängt ist. Ein weiterer Effekt dieser Aufhängung ist eine frequenzabhängige Kraft- und/oder Positionsübertragung von dem Tragkörper auf die Plattform, wobei diese Übertragungsfunktion insbesondere Tiefpasscharakteristik aufweist. Insbesondere periodische Kraft- und Auslenkungsanregungen, das heißt Vibrationen, durch den Tragkörper als Quelle auf die Plattform werden von tiefen Frequenzen aus gehend nur bis zu einer bestimmten Bandbreite übertragen und wirken sich oberhalb dieser Bandbreite mit über die Anregungsfrequenz zunehmendem Amplitudenverlust und Phasenverzug auf die Plattform aus.
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Die Aktuatoreinheit umfasst bevorzugt mindestens eines aus: Propeller, Rotor, Schwungrad, translatorisch verschiebbare Ausgleichsmasse, gasbetriebene Schubdüse, insbesondere Feststoffbooster, fluidbetriebene Schubdüse, insbesondere Wasserrückstoßdüse, Winde zum Einholen oder Ausgeben eines Seiles der Aufhängevorrichtung.
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Die Sensoreinheit ist bevorzugt eine „IMU“, das heißt eine Trägheits- und Lagesensoreinheit (IMU steht engl. für „inertial measurement unit“, d.h. Trägheitsmesseinrichtung) und weist bevorzugt translatorische und rotatorische Beschleunigungsmesser auf und Lagekreisel zu Bestimmung von Lagewinkeln, insbesondere eines Nickwinkels und eines Rollwinkels eines plattformfesten Koordinatensystems gegenüber einem erdfesten Koordinatensystem. Weiterhin oder alternativ bevorzugt weist die Sensoreinheit eine Einrichtung zum Erfassen eines optischen Flusses auf, durch welche eine Relativbewegung der Plattform gegenüber einer erdfesten Umgebung der Plattform optisch erkannt wird.
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Die Sensoreinheit erfasst dadurch Bewegungsdaten, insbesondere eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung der Plattform gegenüber der erdfesten Umgebung der Plattform, die bevorzugt als Rückführsignale (engl. „feedback“) in einen Positions-/ und/oder Geschwindigkeits-/ und/oder Beschleunigungsregler der Steuereinheit übermittelt werden zum Ausregeln von externen Störungen und insbesondere der damit einhergehenden Schwingungen der unter Schwerkrafteinfluss pendelbar am Tragkörper aufgehängten Plattform, die insbesondere durch eine externe Störung angeregt werden.
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Der Positionsregler der Sensoreinheit weist bevorzugt eine Rückführung einer gemessenen Positionsänderung gegenüber dem Tragkörper auf, welche eine proportionale Rückführung darstellt, sowie eine Rückführung einer Geschwindigkeit der Plattform gegenüber einer erdfesten Umgebung der Plattform oder jeweils bevorzugt gegenüber einem Koordinatensystem, das körperfest am Tragkörper gedacht angeordnet ist. Die Rückführung einer Geschwindigkeit stellt damit die zur proportionalen Rückführung einer Position zugehörige differentielle Rückführung einer Ableitung der proportionalen Rükführung dar, sodass gemäß dieser Ausführungsform eine künstliche Dämpfung und eine künstliche Feder durch die Regelung der Steuereinheit werden. Alternativ bevorzugt kann auch nur eine proportionale oder auch nur eine differentielle Rückführung erfolgen. Alternativ bevorzugt kann auch ein anderes Regelungsverfahren benutzt werden, jeweils insbesondere abhängig von den zur Verfügung stehenden Aktuatoren. So kann beispielsweise auch eine Modellfolgeregelung implementiert werden, in der ein Wunschverhalten, z.B. in Form einer Differentialgleichung, explizit definiert ist.
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Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass der Robotermanipulator, der durch den Tragkörper geführt wird, genaue Manipulationen ausführen kann, da insbesondere die den Robotermanipulator lagernde Plattform durch das Ausregeln unerwünschter Bewegungen der Plattform stabilisiert wird. Mögliche vorteilhafte Anwendungsfälle einer solchen Plattform sind die Inspektion und Wartung von Gefahrenzonen in Industrieanlagen, die luftgestützte Wartung von in der Höhe gelegenen Anlagen, zu der sonst Industriekletterer notwendig wären, und der Transport von Objekten, die während des Transports eine Manipulationsaufgabe erfordern, und weitere Manipulationsaufgaben in für Menschen nur unter Gefahr oder anderweitig schwer zugänglichen Zonen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Aufhängevorrichtung mehrere Stränge auf und die Aktuatoreinheit umfasst zumindest eine Winde zum Verlängern oder Verkürzen zumindest einer der Stränge, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, die Winde zum Ausgleichen einer durch Bewegung des Robotermanipulators verursachten Änderung im Gesamtschwerpunkt von Plattform und Robotermanipulator anzusteuern.
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Der Gesamtschwerpunkt ist bevorzugt in einem an der Plattform gedacht angeordneten körperfestem Koordinatensystem definiert. Der Gesamtschwerpunkt von Plattform und Robotermanipulator ändert sich insbesondere in eine in einer Ebene der Plattform bei einer Auslenkung zumindest eines Gliedes des Robotermanipulators bezüglich einer auf die Plattform senkrecht stehenden Flächennormalen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Aktuatoreinheit zumindest eine gegenüber der Plattform bewegbare Masse auf, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, die bewegbare Masse zum Ausgleichen einer durch Bewegung des Robotermanipulators verursachten Änderung im Gesamtschwerpunkt von Plattform und Robotermanipulator anzusteuern.
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Bevorzugt ist die bewegbare Masse in einer Ebene der im wesentlich flachen Plattform bewegbar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Aktuatoreinheit zumindest einen Propeller auf, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, den zumindest einen Propeller anzusteuern.
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Bevorzugt ist an der Plattform genau ein Propeller angeordnet, der bevorzugt in einer Gierbewegung der Plattform wirkt. Die Gierbewegung ist eine Bewegung um eine Hochachse der Plattform, insbesondere um einen Schwerkraftvektor bei horizontaler Orientierung der Plattform.
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Genau ein Propeller ist für diese Ausführungsform ausreichend, wenn der eine Propeller beispielsweise durch Blattverstellung oder Umkehrung der Motorrichtung sowohl eine Zugkraft als auch eine Druckkraft erzeugen kann. Werden dagegen Propeller und Motoren verwendet, die nur in einer Richtung, das heißt ohne Schubumkehr, Schub erzeugen können, wird zweckmäßig bevorzugt statt des genau einen Propellers ein Propellerpaar bereitgestellt, von dem einer der Propeller zum Erzeugen einer Zugkraft und der andere Propeller des Propellerpaares zum Erzeugen einer der Zugkraft entgegengesetzten Druckkraft dient.
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Alternativ bevorzugt weist die Plattform bis zu acht Propeller auf, die zumindest teilweise redundant um eine Achse bzw. in einer Richtung wirken können.
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Weiterhin bevorzugt sind zumindest ein Propeller in einer Längsrichtung, und ein Propeller in einer Querrichtung der Plattform angeordnet, wobei die Längsrichtung und die Querrichtung der Plattform zusammen eine Ebene einer im Wesentlichen flachen Plattform bilden und zueinander senkrecht sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, auf von der Sensoreinheit erfasste Störungen mit niedrigen Frequenzen die bewegliche Masse und/oder die Winde anzusteuern zum Einstellen einer auf die Plattform wirkenden Trimmkraft und/oder eines Trimmmoments, und auf Störungen mit höheren Frequenzen die Propeller zum Ausregeln dieser Störungen anzusteuern.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Plattform weiterhin ein einklappbares Landegestell auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Propeller am einklappbaren Landegestell angeordnet. Vorteilhaft wird hierdurch ein Propellerarm und das jeweilige Bein des Landegestells in ein und dem selben Bauteil vereint.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Robotermanipulator an einer Unterseite der Plattform angeordnet und die Aufhängevorrichtung ist an einer Oberseite der Plattform angeordnet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Flugeinheit, aufweisend einen Drehflügler als Tragkörper, der mit einer Plattform (wie oben und im Folgenden beschrieben) über die Aufhängevorrichtung der Plattform verbunden ist.
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Der Drehflügler kann insbesondere ein Hubschrauber in Haupt-/Heckrotor Konfiguration, ein Hubschrauber in Koaxialrotorkonfiguration, ein Multicopter wie ein Quadrocopter, Hexacopter oder Octocopter, oder ein Flugkörper mit einem ummantelten Propeller oder mit Schubdüsen sein.
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Alternativ bevorzugt wird statt des Drehflüglers ein Luftschiff verwendet, das statt des dynamischen Auftriebs des Drehflüglers statischen Auftrieb durch Halten eines Gases niedrigerer Dichte als die Luftdichte generiert.
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Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen der vorgeschlagenen Flugeinheit ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Plattform vorstehend gemachten Ausführungen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aussteuern oder Ausregeln von Störungen auf eine Plattform mit einem an der Plattform angeordneten Robotermanipulator und mit einer Aufhängevorrichtung, wobei die Aufhängevorrichtung dazu ausgeführt ist, die Plattform an einem Tragkörper durch Ausbilden einer Aufhängung zu lagern, sodass unter Schwerkrafteinfluss die Aufhängung eine Pendelbewegung der Plattform gegenüber dem Tragkörper erlaubt, aufweisend die Schritte:
- - Ansteuern des Robotermanipulators durch eine Steuereinheit,
- - Erfassen von Bewegungsdaten der Plattform durch eine Sensoreinheit und Übermitteln der Bewegungsdaten an die Steuereinheit, und
- - Ansteuern einer Aktuatoreinheit der Plattform durch die Steuereinheit auf Basis der von der Sensoreinheit erfassten Bewegungsdaten zum Ausüben einer zu einer unerwünschten Bewegung der Plattform entgegengerichteten Kraft und/oder eines entgegengerichteten Moments durch die Aktuatoreinheit.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Plattform weiterhin ein einklappbares Landegestell auf und die Aktuatoreinheit weist zumindest einen Propeller auf, wobei der Propeller am einklappbaren Landegestell angeordnet ist. Ferner weist das Verfahren gemäß dieser Ausführungsform weiterhin die Schritte auf:
- - Ansteuern des Robotermanipulators in eine Landepose zum Abstützen der Plattform gegenüber einem Boden beim Ablegen der Plattform auf den Boden, und
- - Ansteuern des Landegestells von einem eingeklappten in einen ausgeklappten Zustand zum Abstützen der Plattform gegenüber einem Boden beim Ablegen der Plattform auf den Boden.
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Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Plattform vorstehend gemachten Ausführungen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1 eine Flugeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine an einem Kran aufgehängte Plattform gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 3 ein Verfahren zum Aussteuern oder Ausregeln von Störungen auf eine Plattform gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt eine Flugeinheit, aufweisend eine Hubschrauberdrohne als Tragkörper 20, die mit einer Plattform 1 über Seile einer Aufhängevorrichtung 5 der Plattform 1 verbunden ist. Die Plattform 1 weist an ihrer Unterseite einen Robotermanipulator 3 auf und an ihrer Oberseite die Aufhängevorrichtung 5, wobei die Aufhängevorrichtung 5 dazu ausgeführt ist, die Plattform 1 an dem Tragkörper 20 durch Ausbilden einer Aufhängung bestehend aus drei Seilen zu lagern, sodass unter Schwerkrafteinfluss die Seile gespannt sind und an einem zentralen Lasthaken der Hubschrauberdrohne aufgehängt sind, um eine Pendelbewegung der Plattform 1 gegenüber dem Tragkörper 20 zu erlauben. Ferner weist die Plattform 1 eine Steuereinheit 10 mit einer damit verbundenen Trägheits-Sensoreinheit 11 auf, die zum Erfassen von Bewegungsdaten der Plattform 1 und zum Übermitteln der Bewegungsdaten an die Steuereinheit 10 ausgeführt ist. Darüber hinaus sind an der Plattform 1 mehrere als Aktuatoreinheit 12 zusammengefasste Aktuatoren angeordnet, die zum Ausüben einer Kraft und/oder eines Moments auf die Plattform 1 ausgeführt ist und durch die Steuereinheit 10 ansteuerbar ist. Als Aktuatoren der Aktuatoreinheit 12 sind ein Propeller, eine bewegbare Masse und drei Seilwinden gezeigt, wobei die bewegbare Masse in den Richtungen des gestrichelten Doppelpfeils, das heißt in eine Längsrichtung der Plattform 1, bewegbar ist. Die Steuereinheit 10 ist dazu ausgeführt, die Winde sowie die bewegbare Masse zum Ausgleichen einer durch Bewegung des Robotermanipulators 3 verursachten Änderung im Gesamtschwerpunkt von Plattform 1 und Robotermanipulator 3 anzusteuern.
Die Steuereinheit 10 ist ferner dazu ausgeführt, die Motoren an den Gelenken des Robotermanipulators 3 anzusteuern und die Propeller auf Basis der von der Sensoreinheit 11 erfassten Bewegungsdaten zum Ausüben einer zu einer unerwünschten Bewegung der Plattform 1 entgegengerichteten Kraft und/oder eines entgegengerichteten Moments anzusteuern. Des Weiteren ist an der Plattform 1 ein einklappbares Landegestell 13 angeordnet, welches gleichzeitig als Propellerarm im fliegenden Betrieb der Flugeinheit dient.
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2 zeigt eine an einem Kran als Tragkörper 20 aufgehängte Plattform 1. Der Kran ist über Kranleinen einer Aufhängevorrichtung 5 mit der Plattform 1 verbunden. Die Plattform 1 weist an ihrer Unterseite einen pneumatisch ansteuerbaren Robotermanipulator 3 auf und an ihrer Oberseite die Aufhängevorrichtung 5. Diese bildet eine Aufhängung bestehend aus den drei Kranleinen zu einem an einem Stahlseil des Krans aufgehängtem Kranhaken (nicht abgebildet) aus, der zusammen mit der Plattform 1 insbesondere durch Windeinfluss leicht in eine natürlich schwach gedämpfte Pendelbewegung gerät. Ferner weist die Plattform 1 eine Steuereinheit 10 mit einer damit verbundenen Trägheits-Sensoreinheit 11 auf, die zum Erfassen von Bewegungsdaten der Plattform 1 und zum Übermitteln der Bewegungsdaten an die Steuereinheit 10 ausgeführt ist. Darüber hinaus sind an der Plattform 1 mehrere als Aktuatoreinheit 12 zusammengefasste Aktuatoren angeordnet, die zum Ausüben von Kräften und Momenten auf die Plattform 1 ausgeführt ist und durch die Steuereinheit 10 ansteuerbar ist. Als Aktuatoren der Aktuatoreinheit 12 sind ein Propeller stellvertretend für eine Vielzahl von Propellern, eine bewegbare Stahlmasse und drei Seilwinden gezeigt, wobei die bewegbare Masse in den Richtungen des gestrichelten Doppelpfeils, das heißt in eine Längsrichtung der Plattform 1, bewegbar ist. Die Steuereinheit 10 ist dazu ausgeführt, die Winde sowie die bewegbare Masse zum Ausgleichen einer durch Bewegung des Robotermanipulators 3 verursachten Änderung im Gesamtschwerpunkt von Plattform 1 und Robotermanipulator 3 anzusteuern. Die Steuereinheit 10 ist ferner dazu ausgeführt, die pneumatischen Drosseln an den Gelenken des Robotermanipulators 3 anzusteuern und die Propeller auf Basis der von der Sensoreinheit 11 erfassten Bewegungsdaten zum Ausüben einer zu einer unerwünschten Bewegung der Plattform 1 entgegengerichteten Kraft und/oder eines entgegengerichteten Moments anzusteuern.
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3 zeigt ein Verfahren zum Aussteuern oder Ausregeln von Störungen auf eine Plattform 1 mit einem an der Plattform 1 angeordneten Robotermanipulator 3 und mit einer Aufhängevorrichtung 5, wobei die Aufhängevorrichtung 5 dazu ausgeführt ist, die Plattform 1 an einem Tragkörper 20 durch Ausbilden einer Aufhängung zu lagern, sodass unter Schwerkrafteinfluss die Aufhängung eine Pendelbewegung der Plattform 1 gegenüber dem Tragkörper 20 erlaubt, aufweisend die Schritte:
- - Ansteuern S1 des Robotermanipulators 3 durch eine Steuereinheit 10,
- - Erfassen S2 von Bewegungsdaten der Plattform 1 durch eine Sensoreinheit 11 und Übermitteln der Bewegungsdaten an die Steuereinheit 10, und
- - Ansteuern S3 einer Aktuatoreinheit 12 der Plattform 1 durch die Steuereinheit 10 auf Basis der von der Sensoreinheit 11 erfassten Bewegungsdaten zum Ausüben einer zu einer unerwünschten Bewegung der Plattform 1 entgegengerichteten Kraft und/oder eines entgegengerichteten Moments durch die Aktuatoreinheit 12. Weiterhin weisen die Plattform 1 ein einklappbares Landegestell 13 auf und die Aktuatoreinheit 12 zumindest einen Propeller auf, und wobei der Propeller am einklappbaren Landegestell 13 angeordnet ist. Vor dem Absetzen der Plattform 1 auf einen Boden unterhalb der Plattform 1 werden die folgenden Schritte durchgeführt:
- - Ansteuern S4 des Robotermanipulators 3 in eine Landepose zum Abstützen der Plattform 1 gegenüber einem Boden beim Ablegen der Plattform 1 auf den Boden, und
- - Ansteuern S5 des Landegestells 13 von einem eingeklappten in einen ausgeklappten Zustand zum Abstützen der Plattform 1 gegenüber einem Boden beim Ablegen der Plattform 1 auf den Boden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Plattform
- 3
- Robotermanipulator
- 5
- Aufhängevorrichtung
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Sensoreinheit
- 12
- Aktuatoreinheit
- 13
- Landegestell
- 20
- Tragkörper
- S1
- Ansteuern
- S2
- Erfassen
- S3
- Ansteuern
- S4
- Ansteuern
- S5
- Ansteuern