Robotik 1
Grundlagen der Robotik
Grundlagen der Robotik
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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?
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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