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Steuerung serieller Manipulatoren K. Janschek - SS 2014 Einführung – RS01/1 –

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik LehrstuhlAutomatisierungstechnik Prof. Klaus Janschek

RS01 EINFÜHRUNG INDUSTRIEROBOTIK

1.1 Robotersysteme - Begriffsbestimmung

1.1.1 Definitionen

1921 Karel Čapek, “robota” (tschechisch) = “arbeiten, Fronarbeit verrichten” Robot (engl.) (nach Robot Institute of America)

A robot is a reprogrammable multifunctional manipulator designed to move material, parts,

tools, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a

variety of tasks. Industrieroboter (nach DIN)

Industrieroboter sind universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen,

deren Bewegung hinsichtlich Bewegungsfolgen und Bewegungswegen bzw. –winkeln frei

programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind.

Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln (allgemein einem

Effektor) ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen.

1.1.2 Systemkomponenten eines Industrieroboters

[Bartenschlager]

Bild 1-1 Industrierobotersystem –

Geräteschema

[Spong] Bild 1-2 Industrierobotersystem –

Blockschaltbild



1.1.3 Leistungskenngrößen

Positioniergenauigkeit (position accuracy) - Kenngröße, wie genau ein Zielpunkt angefahren wird

- Positionierfehler = Istposition – Sollposition = √

- ISO 9283: die Zielposition unter gleichen Betriebsbedingungen 30 mal anfahren und daraus

Mittelwert bilden

Wiederholgenauigkeit (repeatability) - mittlerer Abstand zwischen Zielpunkten, wenn der Roboter in mehreren Versuchen denselben

Zielpunkt anfährt, d. h. mit welcher Genauigkeit kann der Effektor an eine bestimmte

Raumposition zurückkehren

- d. h. durchschnittlicher Abstand der Ist-Punkte untereinander (Varianz, Streuung), d. h. nicht der

absolute Abstand vom Zielpunkt ( Positionierfehler)

- im Allgemeinen gilt: Wiederholfehler < Positionierfehler bzw.

Wiederholgenauigkeit > Positioniergenauigkeit

Positionsauflösung (position resolution) - kleinstes Positionsinkrement, das gemessen werden kann

- -bit Messung ⁄

[Koivo]

Bild 1-5 Typische Spezifikationsparameter

(Datenblatt)

[Bartenschlager]

Bild 1-4 Kinematische Kenngrößen

(VDI 2861)

[Bartenschlager]

Bild 1-3 Kenngrößen von Industrierobotern

nach VDI-Richtlinie 2861



1.1.4 Arbeitsraum

Bewegungsraum

- der Raum, der von allen bewegten Elementen des IR

inklusive Effektor mit der Gesamtheit aller

Achsbewegungen beschrieben wird

- abhängig von spezieller Form des Effektors +

Handhabungsobjekt

Arbeitsraum

- der Raum, der von der Schnittstelle

Bewegungsachsen/Effektor gebildet wird, indem

man alle Hauptachsen in ihre jeweilige Maximal-

und Minimalstellung verfährt

- unabhängig von spezieller Form des Effektors +

Handhabungsobjekt

Im Allgemeinen gilt: Bewegungsraum > Arbeitsraum

1.2 Serielle Manipulatoren - Kinematikkonfigurationen

1.2.1 Gelenktypen

R... Rotationsgelenke (revolute joints) T... Translations-(Schub-)gelenke (prismatic joints)

[Spong]

Bild 1-8 Raumersparnis bei

Rotationsgelenken

[Spong]

Bild 1-7 Rotations-/Translationsgelenke

[Koivo] Bild 1-6 Typischer Arbeitsraum

(zylindrischer Manipulator)



1.2.2 Knickarm Konfiguration (RRR)

[Spong]

Bild 1-9 RRR-Kinematikstruktur

[Spong]

Bild 1-10 RRR-Arbeitsraum

[Siegert] Bild 1-11 Knickarm-Manipulator

PUMA – Programmable

Universal Manipulator for

Assembly

[Bartenschlager]

Bild 1-12 6-Achsen Knickarmroboter



1.2.3 Sphärische Konfiguration (RRT)

[Spong]

Bild 1-13 Sphärische RRT-Kinematikstruktur

[Spong]

Bild 1-14 Sphärischer RRT-Arbeitsraum

[Koivo] Bild 1-15 Sphärischer Manipulator



1.2.4 SCARA Konfiguration (RRT)

SCARA = Selective Compliant Articulated Robot for Assembly

[Spong]

Bild 1-16 SCARA RRT-Kinematikstruktur

[Spong]

Bild 1-17 SCARA RRT-Arbeitsraum

[Hesse] Bild 1-18 SCARA Manipulator



1.2.5 Zylindrische Konfiguration (RTT)

[Spong] Bild 1-19 Zylindrische RTT-Kinematikstruktur

[Spong]

Bild 1-20 Zylindrischer RTT-Arbeitsraum

[Koivo] Bild 1-21 Zylindrischer Manipulator



1.2.6 Kartesische Konfiguration (TTT)

[Spong]

Bild 1-22 Kartesische TTT-Kinematikstruktur

[Spong] Bild 1-23 Kartesischer TTT-Arbeitsraum

[Koivo] Bild 1-24 Ausleger-Manipulator

[Bartenschlager] Bild 1-25 Portalroboter



1.2.7 Endeffektoren

[Spong]

Bild 1-26 Kinematikstruktur sphärisches

Handgelenk

[Spong]

Bild 1-27 Paralleler Yaw-Greifer

[Spong]

Bild 1-28 2-Finger Greifer



1.2.8 Industrieroboterkinematik – Zusammenfassende Übersicht

[Hesse]

Bild 1-29 Gebräuchliche Bauformen von Industrierobotern A ... Bauform B ... Arbeitsraum C ... Kinematik D ... Koordinatensysteme Gelenke



1.3 Manipulationsaufgaben

1.4 Steuerungsaufgaben

1.4.1 Systemabgrenzung

Kräfte* verallgemeinerte Kräfte, d. h. Kraft/Drehmoment entsprechend

Linear-/Drehbewegung Bewegungsgrößen* Position/Geschwindigkeit/Beschleunigung entsprechend

Linear-/Drehbewegung

[Spong]

Bild 1-30 Komplexe Manipulationsaufgabe 1

“Oberflächenbearbeitung”

[Craig]

Bild 1-31 Komplexe Manipulationsaufgabe 2

“Montage + Schrauben”

Bild 1-32 Kontext-Diagramm

steuere

Effektor

Bearbeitungs-

aufgabe

kinematische

Beschränkungen

Kontakt-

kräfte*

Werkstück

Umwelt

Bediener

Bewegungs-

rückmeldung



1.4.2 Robotersteuerung - Generische Lösung

Bild 1-33 Datenflussdiagramm “steuere Effektor” – Generische Lösung

erzeuge

Gelenk-

kräfte*

steuere

Gelenke

messe

Gelenk-

kinematik*

messe

Kontakt-

kräfte*

bestimme

Gelenk-

Sollvorgaben*

erzeuge

Trajektorie

in Gelenk-

koordinaten

erzeuge

Trajektorie

im Arbeitsraum

(kartesisch)

bewege

kinematische

Kette

Bearbeitungs-

aufgabe

Solltrajektorie

kartesisch

Solltrajektorie

Gelenke

Gelenk-

messwerte*

Messwerte

Effektorposition

Effektor-

position

Gelenk-

bewegungs-

größen*

Gelenk-

kräfte*

Gelenk-

stellgrößen

messe

Effektor-

position

kinematische

Beschränkungen

kinematische

Beschränkungen

Kontakt-

kräfte*

Kontakt-

kräfte*

Gelenk-

korrektur

Messwerte

Kontaktkräfte*

Bewegungs-

rückmeldung

erzeuge

Rückmelde-

signale



1.4.3 Robotersteuerung - Standardindustrieroboter

Bild 1-34 Datenflussdiagramm “steuere Effektor” – Standardindustrieroboter

erzeuge

Gelenk-

kräfte*

steuere

Gelenke

messe

Gelenk-

kinematik*

bestimme

Gelenk-

Sollvorgaben*

erzeuge

Trajektorie

in Gelenk-

koordinaten

erzeuge

Trajektorie

im Arbeitsraum

(kartesisch)

bewege

kinematische

Kette

Bearbeitungs-

aufgabe

Solltrajektorie

kartesisch

Solltrajektorie

Gelenke

Gelenk-

messwerte*Effektor-

position

Gelenk-

kräfte*

Gelenk-

stellgrößen

kinematische

Beschränkungen

kinematische

Beschränkungen

Kontakt-

kräfte*

Gelenk-

korrektur

Standardindustrieroboter

+ Steuergerät

Programmier-

gerät

Bewegungs-

rückmeldung

Gelenk-

bewegungs-

größen*



1.4.4 Robotersteuerung – Kraftrückgekoppelter Handhabungsroboter

Bild 1-35 Datenflussdiagramm “steuere Effektor” – Kraftrückgekoppelter

Handhabungsroboter HMI ... Human Machine Interface

erzeugeTrajektorie

im Arbeitsraum (kartesisch)

erzeugeTrajektorie In Gelenk-koordinaten

bestimmeGelenk-

Sollvorgaben*

steuereGelenke

erzeugeRückmelde-

signale

erzeugeGelenk-Kräfte*

messeGelenke-

kinematik*

bewegeKinematische

Kette

messeKontakt-kräfte*

Solltrajektoriekartesisch

SolltrajektorieGelenke

Gelenk-korrektur

Gelenk-Messwerte*

Gelenk-stellgrößen

Gelenk-Kräfte*

Gelenk-bewegungs-

größen*

Bewegungs-rückmeldung

HMI

6-DOF

Steuerungs-/

Regelungs-

system

Achsregelungs-

SystemGeregelte Gelenk-antriebe

Roboter-

mechanik

KinematischeBeschränkungen


Bearbeitungs-aufgabe

Kontakt-Kräfte*

Effektor-position

Kontakt-Kräfte*

Messwerte Kontaktkräfte*

Kontaktkraft*-

messsystem



1.4.5 Robotersteuerung – Kraftrückgekoppelter Präzisionsroboter

Bild 1-36 Datenflussdiagramm “steuere Effektor” – Kraftrückgekoppelter

Präzisionsroboter

erzeugeTrajektorie

im Arbeitsraum (kartesisch)

erzeugeTrajektorie In Gelenk-koordinaten

bestimmeGelenk-

Sollvorgaben*

steuereGelenke

erzeugeRückmelde-

signale

erzeugeGelenk-Kräfte*

messeGelenke-

kinematik*

bewegeKinematische

Kette

messeKontakt-kräfte*

messeEffektor-position

Solltrajektoriekartesisch

SolltrajektorieGelenke

Gelenk-korrektur

Gelenk-Messwerte*

Gelenk-stellgrößen

Gelenk-Kräfte*

Gelenk-bewegungs-

größen*

Bewegungs-rückmeldung

HMI

6-DOF

Steuerungs-/

Regelungs-

system

Achsregelungs-

SystemGeregelte Gelenk-antriebe

Roboter-

mechanik



Bearbeitungs-aufgabe

Kontakt-Kräfte*

Effektor-position

MesswerteEffektorposition

Kontakt-Kräfte*

Messwerte Kontaktkräfte*

Kontaktkraft*-

messsystem



1.5 Koordinatensysteme

TCP ... Tool Center Point

1.6 Grundaufgabe – Vorwärtskinematik (Direkte Kinematik)

[Craig]

Bild 1-37 Koordinatensysteme

[Hesse]

Bild 1-38 Koordinatensysteme

(a) Effektor / TCP

(b) Werkstück

(c) Gelenke

(d) Basis

[Spong]

Bild 1-40 2-Gelenk-Planarmanipulator

[Craig]

Bild 1-39 Vorwärtskinematikaufgabe

gegeben

?gesucht

TCP



1.7 Grundaufgabe – Inverse Kinematik

[Spong]

Bild 1-43 2-Gelenk-Planarmanipulator –

Mehrfachlösungen der inversen Kinematikaufgabe

[Spong]

Bild 1-42 2-Gelenk-Planarmanipulator –

geometrische Beziehungen zur Lösung der inversen Kinematikaufgabe

[Craig]

Bild 1-41 Inverse Kinematikaufgabe

gegeben

?gesucht



1.8 Grundaufgabe - Geschwindigkeitskinematik

1.9 Grundaufgabe - Dynamik

[Craig]

Bild 1-44 Geschwindigkeitskinematikaufgabe

[Spong]

Bild 1-45 2-Gelenk-Planarmanipulator

– singuläre Konfiguration

[Craig]

Bild 1-46 Dynamikaufgabe

gegeben

?gesucht

gegeben

?gesucht



1.10 Grundaufgabe - Trajektorienerzeugung

1.11 Grundaufgabe - Positionsregelung

[Craig]

Bild 1-48 Positionsregelung für

Freiraumtrajektorie (kein Kraftschluss)

gegeben

! Kompensation von

Störgrößen und

Parameterunsicherheiten

[Craig]

Bild 1-47 Trajektorienerzeugung

gegeben

?gesucht



1.12 Grundaufgabe - Kraftregelung

[Craig]

Bild 1-49 Kraftregelung bei Kraft-

schluss mit Werkstück

gegeben

!Kontaktkraft



1.13 Industrierobotik - Allgemeine Robotik

Die in dieser Lehrveranstaltung vermittelten Konzepte der

Industrierobotik (Kinematik, Trajektorien, Dynamik, Regelung) lassen

sich unmittelbar auf andere Roboterkonfigurationen übertragen …

… mobile Robotik

Omnidirectional mobile robot (from [Carter et al.])

… Flugroboter (UAV – Unmanned Aerial Vehicles) …Humanoide Roboter

Inverse Geschwindigkeitskinematik

Robonaut, NASA, USA

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