Einführung in die Robotik - Uni UlmEinführung in die Robotik Vorlesung 5 27 November 2007 Dr. Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik WS 2007/2008 Dr. M. Oubbati, Einführung

Einführung in die RobotikVorlesung 5

27 November 2007

Dr. Mohamed OubbatiInstitut für Neuroinformatik

WS 2007/2008

Dr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm. WS 2007/2008)

Heutiges Thema:

Aktoren


Einführung

Sensoren

Mit Hilfe von Sensoren kann ein Roboter Informationen aus seiner Umgebung aufnehmen.

SensorPhysikalisches Signal Elektrisches Signal


Einführung

Aktoren

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

AktuatorElektrisches Signal Mechanische Arbeit


ÜbersichtAktoren- Einführung

SensorenPhysikalische Größen

Digital Rechner

Aktoren

Mobile Robot

Kräfte oder Bewegungen


Signalverarbeitungskette

Physikalische Größen

Sensoren

A/D Wandler

Digital Rechner

D/A Wandler

Verstärker

Energiewandler

Prozess (Bewegung)

Elektrische Energie

Mechanische Energie

Aktoren- Einführung


Aktoren

Digital - Analog WandlungDer Rechner erzeugt im Normalfall digitale Ausgabesignale (1 oder 0 Zustände).

Diese Signale müssen in einem D/A Wandler in ein analoges Signal umgewandelt werden.


Aktoren

Ein D/A-Wandler basiert auf dem sog. Operations-Verstärker (OV).

Digital - Analog Wandlung

+

-+Vss

-Vss

U1

U2

Vout


AktorenD/A-Wandlung: Widerstandsnetzwerk

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +++++−= 76510 2

141

81...

1281

2561 SSSSSUU ea

(die Tafel ! )


t

U

Analoges Signal eines D/A-Wandler

D/A-Wandlung: Widerstandsnetzwerk

Die maximale Auflösung eines D/A Wandlers ergibt sich durch die Anzahlder Bits, die der Wandler verarbeiten kann.

8 Bit Eingang eine maximale Auflösung von 256 darstellbaren Werten innerhalb eines Wertebereichs.

Aktoren


Aktoren

Es gibt hauptsächlich drei Arten, um elektrische Signale in mechanische Arbeit umzusetzen:

1. Pneumatik

2. Hydraulik

3. Elektrik.

Beim Mobilen Roboter werden am häufigsten Elektromotoren als Antriebselemente eingesetzt.


AktorenMotoren

Auf dem Roboter werden häufig Getriebemotoren (DC motors- Gleichstrommotor) eingesetzt.

DC Motor

Zuerst schließt man die Spannungsquelle an, und je Höhe die Spannung, desto schneller dreht sich der Motor.


AktorenMotoren

Motorsteuerung mit H-Brücke

Ein Motor kann nicht direkt durch einen Mikroprozessor angetrieben werden, da dieser nicht genügend Strom liefert.

Stattdessen muss eine Verbindungsschaltung aufgebaut werden, so dass die Energie für den Motor von einer anderen Spannungsquelle (H-Brücke) kommt und der Mikroprozessor nur die Steuersignale sendet.


AktorenMotoren

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

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


AktorenMotoren

Pulsweitenmodulation

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

(die Tafel)Dr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm. WS 2007/2008)

AktorenGetriebe

Um die gewünschten Fahrleistungen des Roboters zu erreichen ist es notwendigden Motor mit Getriebe zu koppeln.

Beim mobilen Roboter werden Getriebe mit Hilfe von Zahnrädern eingesetzt, um die Drehzahl an die Anforderungen anzupassen


AntriebskonzepteEin mobiler Roboter besitzt insbesondere Aktoren (z. b. Räder, Beine,oder Ketten) zur Veränderung seiner Position in seiner Umgebung.


AntriebskonzepteDifferentialantrieb

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

Der Roboter bewegt sich bei konstanten Radgeschwindigkeiten auf einer Kreisbahn mit dem Radius r um ein Drehzentrum ICC(InstantaneousCenter of Curvature)

zwei angetriebene Räder

StützrädernDr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm. WS 2007/2008)


Die beiden Antriebsräder liegen auf derselben Achse und werden getrennt angetrieben.

Mit Rädern kann ein Roboter auf glattem Untergrund höhere Geschwindigkeitenerreichen.


• Hohes Moment für Kurvenfahrt

• Schwierige Positionsbestimmung

• Sehr starke Reibung auf dem Boden


• Einfache Konstruktion

• Einfache Steuerung

• Auf der Stelle drehbar


AntriebskonzepteDreiradantrieb

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

Der Roboter bewegt sich dann bei konstanten Radgeschwindigkeiten auf einer Kreisbahn mit dem Radius r um ein Drehzentrum ICC.

die verlängerten Achsschenkel aller Räder müssen in einem Mittelpunkt (ICC: InstantaneousCenter of Curvature) schneiden.



Beispiel



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

• Aufwändige Konstruktion


ICC

AntriebskonzepteAckermannlenkung

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.


AntriebskonzepteAckermannlenkung

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


Drei oder mehr angetriebene Räder werden synchron gelenkt

AntriebskonzepteSynchroDrive


AntriebskonzepteSynchroDrive

Beispiel


AntriebskonzepteOmnidirectional

Unter Verwendung von drei (manchmal auch 4) angetriebenen so genannten Allseitenräder (auch Omni-Wheels, Mecanum-Räder) ist der Roboter in der Lage sein, sich in alle Richtungen zu bewegen ohne sich vorher Drehen zu müssen.

Allseitenrad(Omniwheel)

Mecanum-Rad



Hardware Omnidrive Chassis.



Vierrad mit Mecanum-Rädern



Beispiel:

Assistenzroboter (Universität Bundeswehr München)

Omni-Rollstuhl der FernUniversität Hagen



• Beweglichkeit

• Keine aktive Lenkung

• Ebene Oberflächen


Antriebskonzepte

Hier wird der Roboter nicht von Rädern, sondern, wie ein Panzer, von zwei Ketten angetrieben. Das Prinzip ist analog zum Differentialantrieb.

Differentialantrieb- Kettenantrieb


AntriebskonzepteLaufmaschinen


AntriebskonzepteLaufmaschinen

• Sehr flexible Fortbewegung auf eine Gelände.

• Biologisch plausibel.

• Kompliziert zu bauen

• Energieversorgung schwierig.

• Kompliziert zu steuern.


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