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Dr. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm) Aktoren WS 12/13

Einführung in die Robotik

Aktoren

06. 11. 2012

Mohamed OubbatiInstitut für Neuroinformatik

Tel.: (+49) 731 / 50 [email protected]


Während Sensoren eine physikalische Größe in elektrischen Signal umwandeln, machen Aktoren (Aktuatoren) genau das Gegenteil und wandeln elektrische Signale in eine andere Energieform um.

AktorElektrisches Signal Mechanische Arbeit


Um Vorwärts/Rückwärts fahren und sich drehen zu können, braucht der mobile Roboter Motoren + Räder

Aktor=Motor+Rad


In dieser Vorlesung betrachten wir die folgenden Fragen:

1. Wie steuert man einen Motor?

2. Was ist ein Rad?

3. Unter welchen Vorraussetzungen finden Bewegungenstatt?


Wie steuert man einen Motor?


1. Energie: Ein Motor kann nicht direkt durch einen Mikrocontroller angetrieben werden, da dieser (meistens) nicht genügend Strom liefert.

2. Drehrichtung.

3. Geschwindigkeit: Ein Mikrocontroller kann nur die Steuersignale “1“ oder “0“senden, d.h. entweder eine maximale Geschwindigkeit oder gar keine!

Um einen Motor zu steuern, gibt es gibt 3 Punkte zu beachten:

Motoren


H-Brücke

Man baut eine Verbindungsschaltung, so dass die Energie für den Motor von einer anderen Spannungsquelle kommt.

Energie & DrehrichtungWie steuert man einen Motor?

Der Mikrocontrollersendet nur die Steuersignale.

Mikrocontroller

Motoren


Um die Geschwindigkeit des DC Motors zu regulieren, muss man Die Pulsweitenmodulation (engl. Pulse Width Modulation, abgekürzt PWM) nutzen.

Geschwindigkeit

Bei der PWM wird die Ein- und Ausschaltzeit eines Rechtecksignals bei fester Grundfrequenz variiert.

Je länger die Einschaltdauer, desto schneller dreht sich der Motor.

dieTafel…

Motoren Wie steuert man einen Motor?


Das Rad


Größen des Standartrades

v

x axis

y axis

w rr : Rad Radius

v : Translationsgeschwindigkeit

w : Rotationsgeschwindigkeit

a : Rotationsvector

X

x axis

Y

θ

θ : Lenkwinkel

a

Das Rad


(Mecanum)

Das Rad

Klassifikation I

Holonomic Wheels (Omniwheels ormulti-directional wheels)

Nonholonomic Wheels

Passive Räder


Das Rad

Klassifikation II

Aktives Rad (angetriebenes Rad)Passives Rad (Stützrad)

Gelenktes Rad Ungelenktes Rad


Unter welchen Vorraussetzungen finden Bewegungen statt ?

Antriebskonzepte


ICC

Für alle verlängerten Rotationsvektoren der Räder muss ein gemeinsamer ICC (Instantaneous Center of Curvature) existieren.

Rad

Antriebskonzepte


Antriebskonzepte- Differentialantrieb

- Dreiradantrieb

- Ackermannlenkung

- SynchroDrive

- Omnidrive

- Laufmaschinen

Antriebskonzepte


Differentialantrieb

Dieses besteht aus zwei angetriebene Räder auf einer Achse mit einem oder zwei passiv mitlaufenden Stützrädern, die sich frei drehen können.

Zwei (Nonholonomic) angetriebene Räder liegen auf derselben Achseund werden getrennt angetrieben

Stützrad

vr

vl

robot

Antriebskonzepte


• Hohes Moment für Kurvenfahrt

• Schwierige Positionsbestimmung

• Sehr starke Reibung auf dem Boden

Differentialantrieb

• Einfache Konstruktion

• Einfache Steuerung

• Auf der Stelle drehbar

Antriebskonzepte


Dreiradantrieb

Der mobile Roboter ist mit 2 angetriebenen Räder und ein gelenkten Radausgestattet

Die verlängerten Rotationsvectorenaller Räder müssen in einem Mittelpunkt (ICC: InstantaneousCenterof Curvature) schneiden.

vr

vl

robot

ICC

Antriebskonzepte


Sehr gute Spurtreue • Der Roboter kann nicht auf der Stelle drehen.

• Aufwändige Konstruktion

DreiradantriebAntriebskonzepte


Der mobile Roboter hat eine Lenkung wie die von Autos bekannte Lenkung.

AckermannlenkungAntriebskonzepte


Ackermannlenkung

Beim Lenken werden die vorderen Räder um den gleichen Winkel eingelenkt.

Bei PKW und LKW wird das innere Rad stärker gelenkt als das äußere Rad. Dies ist notwendig um sich die verlängerten Achsschenkel aller Räder in einem Mittelpunkt (ICC) zu schneiden. Damit haben die Räder den geringsten Rollwiderstand.

ICC

Antriebskonzepte


Drei oder mehr angetriebene Räder werden synchron gelenkt

SynchroDriveAntriebskonzepte


SynchroDrive

Beispiel

Antriebskonzepte


Wenn der Roboter sich in eine Richtung bewegt, drehen sich die passive Räder und minimieren somit den Reibungswiderstand des Rads.

Omniwheel

Passive Räder

OmnidriveAntriebskonzepte

Omnidrive


• Beweglichkeit

• Keine aktive Lenkung

• Ebene Oberflächen

OmnidirectionalAntriebskonzepte


LaufmaschinenAntriebskonzepte


Laufmaschinen

• Kompliziert zu bauen

• Energieversorgung schwierig.

• Kompliziert zu steuern.

• Sehr flexible Fortbewegung auf eine Gelände.

Antriebskonzepte


Student project, Bachelor and Master/Diplom


Being a part of our humanoid robot team

We are looking for enthusiastic students that help us improving the capabilities of ourhumanoid robot platform:

• Integration of a Raspberry pi• Acoustic sensors• Wireless Camera• Motion Control• Human-Robot Interaction• Simulator

Contact: Oubbati (Office: O27/3406 Tel.: +49 731 /50 24153)Institut für Neuroinformatik - Forschungsgruppe: Neurobotik

(as student project, Bachelor and Master/Diplom)

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