Robotik 1

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• 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.

Roboterbasis

Gelenke

Armelemente (Glieder), Endeffektor

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

Gewünscht: Glatte Bewegungen

Kontinuierliche Bahn

Vibrationsfrei/ Schwingungsfrei

Steuerung der Achsen unabhängig voneinander

Gelenksspezifische maximale Beschleunigung und Geschwindigkeit

Punktschweißen

achsinterpolierte Steuerung (Bewegung aller Achsen beginnt und endet zum gleichen Zeitpunkt, Leitachse langsamstes Gelenk)

Lackieren: kontinuierliche Geschwindigkeit für Farbauftrag

Endeffektor folgt in Lage und Orientierung einer definierten Bahn

Angabe der Trajektorie erfolgt als Funktion der Zustände des Roboters

Bahntypen
–lineare Bahnen
–Polynombahnen
–Splines

Punkt-zu-Punkt (PTP)

Linear- und Zirkularinterpolation (Bahn besteht aus Geraden- und Kreisabschnitten.)

Splineinterpolation

Polynom n-1ter Ordnung für n Punkte (an den Stützstellen)

mit pneumatischen Antrieben leicht zu realisieren

3 Phasen -3 Terme: Beschleunigung, Gleichförmige Bewegung,  Bremsvorgang

 Rampenprofil Sinoidenprofil

Überschwinger möglich, Bahn nicht vorhersehbar nach Inverser Kinematik

Beschleunigung und Gescheindigkeit hängt von Regelkreisen ab und ist nicht vorhersehbar

Dreiecke zum Glätten von Freiformflächen = Oberflächen

Polynombahnen können bei vielen Punkten degenerieren: Überschwingungen
Bei n Punkten verwenden von Polynom n-1 ter Ordnung

Bernsteinpolynome

Bezierkurven

Unstetigkeit bei Rampenprofil(Geschwindigkeit) führt zu Überschwingen
wergen konstanter Beschleunigung(/Bremsvorgang)

Sinuidenprofil de Facto Kontinuität, Gerät wird geschont
Beschleunigung s"(t) = sin²(Pi * t / tB)
tB Dauer der Beschleunigungsphase.

Die Bahnsteuerung ist eine Steuerungsart von CNC-Maschinen (Werkzeugmaschine, Roboter). Mit ihr werden gleichzeitig mehrere Achsen bewegt.

Dabei wird das Werkzeug mit vorgegebener Geschwindigkeit entlang einer programmierten Bahn geführt.

Sie wird in der Robotik auch CP-Steuerung (engl. continuous path) genannt.

Constructive Solid Geometry - Konstruktive Festkörpergeometrie

geometrische Primitive

Boolsche Volumen-Verknüpfungen (Wie bei Mengen: Vereinigung, Differenz, Schnitt)

 alle Knoten paarweise prüfen, ob direkte (lineare) Verbindung existiert ohne Kollision mit einem Hinderniss

RRT

Probabilistic Roadmap

Vom Start und vom Zielpunkt aus werden jeweils ein Baum angefangen

Jede Zufallskonfiguration wird jeweils zur Erweiterung beider Bäume benutzt: Erweiterung (am nächsten Nachbarn) um maximal konstante Distanz D in Richtung der Zufallskonfiguration, solange die Erweiterung Zusatzbedingungen erfüllt (Kollisions Freiheit)

Algorithmus endet, wenn die Grafen dadurch verbunden werden: probabilistisch vollständig

Randomized Gradient Descent

. Toleranzwert für Einschränkungen: α 

• Zufällige Bestimmung von n Nachbarn von KS (in Hyperkugel mit Radius dmax)  

• Falls minimale Distanz der Nachbarn kleiner als die Distanz von KS, ersetze KS 

mit dem Nachbarn mit kleinster Distanz  

• Wiederholen bis maximale Iterationszahl erreicht oder die Distanz von KS < α ist

für jede Zufallskonfiguration wird eine Distanz als Bewertung oder Richtung hinsichtlich der Bedingung berechnet

Nur eine ZufallsKonfiguration mit guter Bewertung wird verwendet um eine neue Konfiguration zu erhalten

so lange wiederholt, bis eine Konfiguration gefunden ist, die die Bedingung erfüllt

First Order Retraction

Einfahren bis Schwellwertunterschritten ist

optimiert auf:

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

- schwarz/weiss/Helligkeit

Ortsvektor vom Ursprung des BKS zum Ursprung des OKS

Position

Location

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

Ausrichtung

Orientierung eines Objektes bezogen auf ein BKS

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

Ort

Location

Ortsvektor vom Ursprung des BKS zum Ursprung des OKS

Lage 

Pose

Stellung

Haltung

Geometrisches Modell Klasse Kanten bzw. Flächen, 3D

3D Polygonzüge

für schnelle Visualisierung

Körper werden durch einhüllende Quader dargestellt

bei Kollisionsvermeidung benutzt

Geometrisches Modell Klasse Volumen bzw. Flächen, 3D

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

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

Die Körper werden genau dargestellt

für die Ermittlung der genauen Werte der Kollisionserkennung

für Darstellung in der Animation

Geometrisches Modell Klasse Volumen, 3D

grafische Darstellung von Körpern

Abstandsmessung

Grundlage für kinematisches Modell

Grundlage für Dynamisches Modell

Lehre der geometrischen

und analytischen Beschreibung

der Bewegungszustände mechanischer Systeme

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

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

Vorwärtskinematik

Berechnung der Stellung des TCP aus den Gelenkwinkeln

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

(kartesischer Raum --> Konfigurationsraum)

mehreren Körpern/Armelemente/Glieder gebildet, die 

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

offen oder geschlossen

Histogrammausgleich

Filter

Ausführung einer geplanten Handlung