Steuerung serieller Manipulatoren K. Janschek - SS 2014 Einführung – RS01/1 –
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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1.2.8 Industrieroboterkinematik – Zusammenfassende Übersicht
[Hesse]
Bild 1-29 Gebräuchliche Bauformen von Industrierobotern A ... Bauform B ... Arbeitsraum C ... Kinematik D ... Koordinatensysteme Gelenke
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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
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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
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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*
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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
KinematischeBeschränkungen
Bearbeitungs-aufgabe
Kontakt-Kräfte*
Effektor-position
Kontakt-Kräfte*
Messwerte Kontaktkräfte*
Kontaktkraft*-
messsystem
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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
KinematischeBeschränkungen
KinematischeBeschränkungen
Bearbeitungs-aufgabe
Kontakt-Kräfte*
Effektor-position
MesswerteEffektorposition
Kontakt-Kräfte*
Messwerte Kontaktkräfte*
Kontaktkraft*-
messsystem
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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
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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
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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
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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
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1.12 Grundaufgabe - Kraftregelung
[Craig]
Bild 1-49 Kraftregelung bei Kraft-
schluss mit Werkstück
gegeben
!Kontaktkraft
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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