Robotik 1

Grundlagen der Robotik

Grundlagen der Robotik


T. C.
Diese Lernkarten bieten einen umfassenden Überblick über die Grundlagen der Robotik auf Universitätsniveau. Sie behandeln Themen wie Kinematik, Bahnsteuerung, Interpolation und die Struktur von Industrierobotern. Die Karteikarten sind besonders nützlich für Studierende und Forscher, die sich mit der Planung und Steuerung von Robotern beschäftigen, da sie sowohl theoretische Konzepte als auch praktische Anwendungen abdecken.
Karten
54
Lernende
1
Sprache
Deutsch
Kategorie
Informatik
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
25.04.2014 / 20.10.2014

Lernkarten

 Sehen foveales

hohe (örtliche) Auflösung
hohe Farbtiefe

Sehen, periphär

optimiert auf:

- gute Dynamik: hohes zeitliches Auflösungsvermögen --> Bewegungen werden gut wahrgenommen
(durch Zusammenschalten von Sehzellen, die zeitversetzt wahrnehmen zu Gruppen)

- schwarz/weiss/Helligkeit

 

Ort eines Objektes

Ortsvektor vom Ursprung des BKS zum Ursprung des OKS

Position

Location

Orientierung eines Objektes

Rotationsmatrix zur Abbildung der Einheitsvektoren des OKS auf die
Einheitsvektoren des BKS

Ausrichtung

Ausrichtung eines Objektes

Orientierung eines Objektes bezogen auf ein BKS

Rotationsmatrix zur Abbildung der Einheitsvektoren des OKS auf die
Einheitsvektoren des BKS

Position eines Objektes

Ort

Location

Ortsvektor vom Ursprung des BKS zum Ursprung des OKS

Posture

Lage 

Pose

Stellung

Haltung

Kantenmodell

Geometrisches Modell Klasse Kanten bzw. Flächen, 3D

3D Polygonzüge

für schnelle Visualisierung

Blockwelt

Körper werden durch einhüllende Quader dargestellt

bei Kollisionsvermeidung benutzt

Geometrisches Modell Klasse Volumen bzw. Flächen, 3D

Geometrisches Modell Klassifizierung

Nach Raum
–2D Modelle
–2,5D Modelle
–3D Modelle

Nach Grundprimitiven
–Kanten- bzw. Drahtmodelle
–Flächen- bzw. Oberflächenmodelle
–Volumenmodell

Volumenmodell

Die Körper werden genau dargestellt

für die Ermittlung der genauen Werte der Kollisionserkennung

für Darstellung in der Animation

Geometrisches Modell Klasse Volumen, 3D

Geometrisches Modell Einsatzbereiche

grafische Darstellung von Körpern

Abstandsmessung

Grundlage für kinematisches Modell

Grundlage für Dynamisches Modell

Kinematik

Lehre der geometrischen

und analytischen Beschreibung

der Bewegungszustände mechanischer Systeme

Dynamik

Untersuchung der Bewegung von Körpern als Folge der auf sie wirkenden Kräfte und Momente

kinematisches Modell eines Roboters

Zusammenhänge zwischen dem Raum der
Gelenkwinkel (Roboterkoordinaten, Konfigurationsraum)
und dem Raum der
Lage des Endeffektors in Weltkoordinaten (Arbeitsraum, Kartesischer Raum, Tool Center Point)

Direkte Kinematik

Vorwärtskinematik

Berechnung der Stellung des TCP aus den Gelenkwinkeln

Inverse Kinematik

Berechnung der Gelenkwinkel/Parameter des Roboters aus der Lage des Endeffektors/TCP

(kartesischer Raum --> Konfigurationsraum)

Kinematische Kette

mehreren Körpern/Armelemente/Glieder gebildet, die 

durch Gelenke kinematisch verbunden sind (z. B.: Roboterarm).

offen oder geschlossen

Bildverbesserung 

Histogrammausgleich

Filter

Aktion

Ausführung einer geplanten Handlung

Robotik Überblik

Perzeption

Kognition

Aktion

Kognition

Interpretation

Planung

Wissenbasis

Quaternionen Darstellung von Rotation

q = ( cos (Phi/2), V sin (Phi/2) )

V Einheitsvektor in Rotationsachse

Drehwinkel Phi

Quaternionen Durchführung von Rotationen

q X q*

konjugierte Quaternion  q* = ( a, -V)

Punt X als Quaternion r = ( 0, X)

Quaternionen dual

QD = ( d1, d2, d3, d4)

di = dpi + ε • dsi 

ε² = 0

 

Quaternionen dual Semantik

realer Skalarteil dp1 bedeutet Drehwinkel/2 um die Gerade 

imaginärer Skalarteil ds1 Verschiebung entlang der Gerade

6 Parameter des Imaginärteils beschreiben beliebige Gerade

 

 

Entwicklung über 4 Generationen: Kriterien der Entwicklung

Umfang an Sensorik, Anpassung an Umwelt, Autonomie

Steuerungs-Komplexität = Leistungsfähigkeit der Prozessoren

Programmiermöglichkeiten: erst Bewegungs- dann Aufgabenorientiert
(nur feste Haltepunkte / Punkt-zu-Punkt-Programmierung)
Flexible Anpassung an Aufgabe

Lernen, Selbstreflexion

Implementierung von Menschlichkeit (Emotionen, Sprache)

Klassifikation von Robotern: Kriterien

Unstrukturiertheit der Umwelt

Autonomie der Aufgabenausführung, Art der Steuerung

Anzahl der Achsen (3, 4, 5, ...), Mechanische Struktur (SCARA, parallel, ...), stationär/mobil

Klassen von Robotern

Industrie-Robot

Service-Robot

Personal Robot

Steuerung von Bewegung Arten

geradlinig von Punkt zu Punkt,

kontinuierlicher Pfad z.B. DMPs,

adaptiv (Sensorik),

teleoperativ

Praktische Informatik

Betriebssysteme
Dialogsysteme
Softwaretechnik
parallele Datenverarbeitung

Aktorik

Antriebe
Kinematiken
Gelenktypen

Teilbereiche der Robotik

Datenverarbeitung

Sensorik

Aktorik

Modellierung Schnittstellen

Antrieb beim Roboter

Motor, Getriebe und Regelung

Freiheitsgrade: In der Regel sind mindestens wieviele Freiheitsgrade erforderlich, um jeden Raumpunkt erreichen zu können?

3

Industrie-Roboter Aufbau/Struktur

  • Steuerung: Sie überwacht und gibt die Bewegung und Aktionen des IR vor. Dies setzt eine Programmierung voraus.
  • Antriebe: Der Antrieb bewegt die Glieder der kinematischen Kette und besteht aus Motor, Getriebe und Regelung. Der Antrieb kann elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.
  • interne Sensorik: Diese liefert Informationen über die Stellung der kinematischen Kette. Sie wird von der Steuerung zum Abgleich zwischen Soll- und Ist-Position verwendet. Interne Sensoren können beispielsweise inkrementale Drehgeber, Interferenzmuster oder Lichtschrankenfunktionen sein.
  • Kinematik: Sie stellt die physische Realisierung der lasttragenden Struktur dar und schafft die räumliche Zuordnung zwischen Werkzeug/Werkstück und Fertigungseinrichtung. Sie besteht aus rotatorischen und translatorischen Achsen. In der Regel sind mindestens 3 Freiheitsgrade erforderlich, um jeden Raumpunkt erreichen zu können. Das erfordert mindestens 3 Bewegungsachsen.
  • Greifsysteme: Ein Greifsystem stellt die Verbindung zwischen Werkstück und IR her. Dies kann über Kraftpaarung, Formpaarung oder Stoffpaarung erfolgen.
  • externe Sensorik: Sie gibt dem IR eine Rückmeldung über die Umgebung. Sie ermöglicht damit eine flexible Reaktion auf nicht geplante Veränderungen. Externe Sensoren können zum Beispiel Bildverarbeitungssysteme (z. B. Laser Lichtschnittsysteme), Triangulationssensoren, Lichtschrankenfunktionen und Ultraschallsensoren sein.

Kinematische Kette: Elemente

Roboterbasis

Gelenke

Armelemente (Glieder), Endeffektor

Bahnsteuerung Ebenen/Schritte

Bahnsteuerung im Kartesischen Raum ist näher an der zu lösenden Aufgabe

Bewegungs-Programm Interpreter: Bahnen im Zyklus 100 ms (hier noch keine Interpolation wegen Hindernissen)

Kartesische Interpolation 10ms

Koordinaten Transformation (Inverse Kinematik)

Steuerungshardware: Gelenkwinkel (Fein-) Interpolation 1 ms

Servokreise: Regelung(-Kreis) R A K

Interpolation

Gewünscht: Glatte Bewegungen

Kontinuierliche Bahn

Vibrationsfrei/ Schwingungsfrei

Bahnsteuerung Gelenkwinkelraum asyncron

Steuerung der Achsen unabhängig voneinander

Gelenksspezifische maximale Beschleunigung und Geschwindigkeit

Punktschweißen

Lernen