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Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich VI - Informatik und Medien Linnemann, SoSe 2013 VLRob.ppt Folie 1 Nur für Lehrzwecke Robotertechnik 1. Einführung 2. Einteilung, Anwendungsfelder, Märkte 3. Bauformen von Industrierobotern 4. Roboterkinematiken 5. Koordinatentransformation 6. Robotersteuerungen 7. Programmierung von Industrierobotern 8. Einsatz von Industrierobotern 9. Mobile, autonome Roboter 10. Ausblick und aktuelle Trends Begleitfolien zum Wahlpflichtfach Robotertechnik Studiengang Technische Informatik Von Prof. Dr.-Ing. Heinz Linnemann Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich VI - Informatik und Medien Linnemann, SoSe 2013 VLRob.ppt Folie 2 Nur für Lehrzwecke Robotertechnik Aus drucktechnischen Gründen leere Folie!

Roboter Technik Vorlesung Alles

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VLRob.pptFolie 1Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

1. Einführung

2. Einteilung, Anwendungsfelder, Märkte

3. Bauformen von Industrierobotern

4. Roboterkinematiken

5. Koordinatentransformation

6. Robotersteuerungen

7. Programmierung von Industrierobotern

8. Einsatz von Industrierobotern

9. Mobile, autonome Roboter

10. Ausblick und aktuelle Trends

Begleitfolien zum Wahlpflichtfach

RobotertechnikStudiengang Technische InformatikVon Prof. Dr.-Ing. Heinz Linnemann

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Robotertechnik

Aus drucktechnischen Gründen leere Folie!

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VLRob.pptFolie 3Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

1. Einführung

• Literatur

• Normen

• Richtlinien

• Interdisziplinäres Wissensgebiet Robotertechnik

• Historische Entwicklung

• Entwicklung erster Industrieroboter

• Entwicklung heutiger Industrieroboter

• Visionen eines Roboterforschers

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VLRob.pptFolie 4Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Literatur

Roboterkinematik - Grundlagen, Invertierung und Symbolische Berechnung. Braunschweig: Vieweg, 1992

Riesler:

Robotik: Programmierung intelligenter Roboter.Berlin: Springer, 1996

Siegert, H.-J.;Bocionek, S.:

Industrieroboterpraxis. Wiesbaden: Vieweg, 1998Hesse, S.:

Informationsverarbeitung in der Robotik.Berlin: Springer, 1991

Dillmann, R.;Huck, M.:

Industrieroboter. Handbuch für Industrie und Wissenschaft.Berlin, Heidelberg: Springer, 1990

Warnecke H.-J.; Schraft, R. D.:

Skript Roboter. http://www.fh-weingarten.de/~georgi/robotikN.N.:

Robotic und Automation. http://www.reisrobotics.de/robotech/(Stand: Juni 2002)

Kroth, E.:

Automatisierung in der Montage und Handhabungstechnik. http://afs.iff.uni-stuttgart.de/vorlesungen(Stand: Juni 2002)

Schraft, R. D.:

Robotersysteme. Bd. 1: Grundlagen.Berlin: Springer, 1992

Wloka, D. W.:

Industrieroboter. Methoden der Steuerung und Regelung. München, Wien: Hanser, 2002 (ca. 25 €)

Weber, W.:

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VLRob.pptFolie 5Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Normen

DIN EN 775: Industrieroboter – Sicherheit. Berlin: Beuth,1993

DIN 66 261: Informationsverarbeitung – Sinnbilder für Struktogramme nach Nassi-Shneiderman.Berlin: Beuth,1985

DIN 66 312: Industrieroboter – Programmiersprache, Industrial Robot Language (IRL). Berlin: Beuth, 1996

DIN 40 719, Teil 6: Schaltungsunterlagen – Regeln für Funktionspläne.IEC 848 modifiziert. Berlin: Beuth,1992

DIN EN ISO 8373: Industrieroboter – Wörterbuch. Berlin: Beuth, 1996

DIN EN ISO 9787: Industrieroboter – Koordinatensysteme und Bewegungsnomenklatur. Berlin: Beuth,1999

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VLRob.pptFolie 6Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

RichtlinienVDI 2740 Blatt 1: Mechanische Einrichtungen in der Automatisierungstechnik – Greifer

für Handhabungsgeräte und Industrieroboter. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1995

VDI 2739 Blatt 1: Matrizenrechnung – Grundlagen für die praktische Anwendung. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1991

VDI 2739 Blatt 2: Matrizenrechnung – Anwendungen in der Kinematik und bei Eigenwertproblemen. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1996

VDI 2739 Blatt 3: 1996 Matrizenrechnung – Technische Anwendungsbeispiele. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1996

VDI 2853: Sicherheitstechnische Anforderungen an Bau, Ausrüstung und Betrieb von Industrierobotern. Düsseldorf: VDI- Verlag

VDI 2860: Montage- und Handhabungstechnik – Handhabungsfunktionen, Handhabungseinrichtungen; Begriffe, Definitionen, Symbole. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1990

VDI 2861 Blatt 1: Montage- und Handhabungstechnik – Kenngrößen für Industrieroboter, Achsbezeichnungen. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1988

VDI 2861 Blatt 2: Montage- und Handhabungstechnik – Kenngrößen für Industrieroboter, Einsatzspezifische Kenngrößen. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1988

VDI 2861 Blatt 3: Montage- und Handhabungstechnik – Kenngrößen für Industrieroboter, Prüfung der Kenngrößen. Düsseldorf: VDI- Verlag, 1988

VDI 2863 Blatt 1: IRDATA, Allgemeiner Aufbau, Satztypen und Übertragung. Düsseldorf: VDI- Verlag, Düsseldorf: VDI- Verlag, 1987

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VLRob.pptFolie 7Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Interdisziplinäres Wissensgebiet Robotertechnik

Roboter

Regelungs-und Antriebs-

technik

Steuerungs-technik

Sensor-technik

Programmie-rung

Konstruktion

Simulation

Informatik

Mas

chin

enba

u Elektrotechnik

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VLRob.pptFolie 8Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Historische Entwicklung der Robotertechnik

100 Heron von Alexandria: Entwürfe für Automatentheater

1352 Automatische Uhren mit Figurenwerk im Mittelalter, z. B. am Straßburger Münster

1700 Musikspielende Puppen

1730 Vaucansen (Frankreich) baute Musik spielende Puppen in menschlicher Größe (Flötenspieler, Tamburinspieler) und eine künstliche Ente aus über 1000 Teilen die „fressen“ und „Exkremente ausscheiden“ konnte

1760 Schreibender Mensch, automatischer Schachspieler

1774 Jaquet Droz und Sohn bauten drei Droiden (Zeichner, Schriftsteller, Klavierspielerin)

1805 J.M. Jacquard: Programmierbarer, von Lochkarten gesteuerter Webstuhl, der durchaus als spezialisierter Roboter bezeichnet werden kann

1921 Im Science-Fiction-Theaterstück „Rossum‘s Universalroboter“ von Karel Čapek taucht das erste mal der Begriff Roboter auf (In vielen Slawischen Sprachen bedeutet “rabota” arbeiten)

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VLRob.pptFolie 9Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Museum der Schönen Künste, Neuchâtel (Schweiz)

Die Automaten von Droz & Droz stellten einen Meilenstein im Automatenbau dar.

Vorführungen der etwa 70 cm hohen Menschenautomaten, der Schreiber (links) und der Zeichner (rechts), sind für Besucher sehr beeindruckend.

• Der Schreiber kann auf einen beliebigen Text bis zu 40 Zeichen Länge programmiert werden.

• Der Zeichner kann Amor von einem Schmetterling gezogen, einen Hund, sowie die Porträts von Louis' XV., Louis XVI. und Marie Antoinette skizzieren

Quelle: Hesse, S.: Golems Enkel, Urania Verlag Leipzig/Jena/Berlin 1986

Die Droiden von Droz und Sohn

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VLRob.pptFolie 10Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

1946 USA: G.C. Devol: Steuergerät zur magnetischen Aufzeichnung elektrischer Signale. Die Signale konnten später zur Steuerung mechanischer Geräte wieder benutzt werden. Er reichte mehrere Patente für roboterähnliche Maschinen ein.

1952 Prototyp einer NC-Maschine am Massachusetts Institute of Technology (MIT), Entwicklung der Programmiersprache APT

1954 England: C.W. Kenward reicht ein Patent einer Roboterentwicklung ein.USA: G.C. Devol arbeitet an dem „programmierten Transport von Gegenständen“, erhält 1961 dafür ein Patent.

1959 Erster kommerzieller Roboter der Fa. Planet Corporation für einfache Aufgaben, z.B. Punktschweißen

1960 Erster Roboter der Fa. Unimate installiert (basierte auf Arbeiten von Devol). Der Roboter wurde hydraulisch angetrieben und von einem Computer nach dem Prinzip der NC-Technik gesteuert.

1961 Erster Roboter vom Typ Unimation bei Ford installiert.

Entwicklung erster Industrieroboter

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VLRob.pptFolie 11Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Entwicklung heutiger Industrieroboter

1971 Erster Robotereinsatz in Deutschland bei Daimler-Benz

1972 Roboter werden für die Informatik ein Thema

1975 Erste Montageoperationen durch den SIGMA-Roboter von Olivetti

1978 Einführung der PUMA Serie (Programmable Universal Machine For Assembly). Elektrisch angetrieben, basierte auf Entwürfen von General Motors, gebaut von Fa. Unimation.

1979 Yamanaski-Universität, SCARA-Prinzip(Selective Compliance Assembly Robot)

1980 Entwicklungsarbeiten zum Greifen und Fügen mit Kameraunterstützung.

1985 Beginn der Entwicklung von autonomen mobilen Robotern

1992 Beginn der Entwicklung von Servicerobotern

1997 Erste Weltmeisterschaft im Roboter-Fußball in Tokio

1998 Das Stanford Research Institute entwickelt einen mobilen experimentellen Roboter („Shakey“). Integration von Sichtsystem (Kamera) und taktilen Sensoren.

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VLRob.pptFolie 12Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Visionen eines Roboterforschers

Quelle: Moravec, Hans: Geisteskinder, Universelle Roboter: In vierzig Jahren haben sie uns überholt. c’t 6/96, S. 98

Zunahme der kognitiven, motorischen und sensorischen Fähigkeiten:

• 2010: 1.000 MIPS (Reptilien)

Universelle Wahrnehmung, Manipulation und Mobilität

• 2020: 30.000 MIPS (Säugetiere)

Anpassungs- und Lernfähigkeit, Erfahrungen

• 2030: 1.000.000 MIPS (Primaten)

Gestaltung der Umwelt, Bewusstsein durch Simulation, Reproduktion in Fabriken

• 2040: 30.000.000 MIPS (Menschen)

Logisches Denken, Nachdenken

Hinweis: Die Leistung eines aktuellen Pentium-Prozessors kann mit etwa 1.000 MIPS angenommen werden (Stand 2002)

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VLRob.pptFolie 13Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

2. Einteilung der Roboter, Anwendungsfelder und Mär kte

• Einteilung der Handhabungsgeräte

• Abgrenzung, Begriffsdefinitionen

• Einteilung nach Einsatzgebieten

• Industrieroboter

• Serviceroboter

• Geländeroboter

• Neue Anwendungsfelder- Sanierung - Medizin- Hobby, Freizeit

• Fußballspielende Roboter (RoboCup)

• Einsatzzahlen und Märkte von Industrierobotern

• Märkte für Serviceroboter

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VLRob.pptFolie 14Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Einteilung der Handhabungsgeräte

Nach der VDI-Richtlinie 2860 Blatt 1 bilden Industrieroboter eine Untergruppe der Handhabungseinrichtungen. Unter Handhaben sind alle Vorgänge zu verstehen,

• bei denen ein Objekt in eine definierte Lage im Raum gebracht und/oder in dieser vorübergehend gehalten wird (Werkstückhandhabung );

oder• bei denen mit dem Objekt eine definierte Bewegung ausgeführt wird, um eine

bestimmte Arbeitsaufgabe auszuführen (Werkzeughandhabung ).

Handhabungsgeräte

ProgrammgesteuertManuell gesteuert

Fest programmiert Frei programmiert

Einlegegeräte(Pick-And-Place)

IndustrieroboterManipulator, Teleoperator

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VLRob.pptFolie 15Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Abgrenzung des Begriffs Industrieroboter

• Ein Industrieroboter ist keine NC-Maschine(Numerically Controlled Machine)

• Hauptaufgabe NC-Maschine: Formgebende Bearbeitung eines Werkstückes

• Hauptaufgabe Industrieroboter: Handhabung von Werkstücken, Montage

• Die Übergänge sind jedoch fließend!

• Ein Industrieroboter ist kein Teleoperatorwie er z.B. in Kernkraftwerken eingesetzt wird: Die Bewegung eines Teleoperators wird unmittelbar vom Menschen gesteuert.

• Ein Industrieroboter ist kein EinlegegerätDas Einlegegerät ist eine "mit Greifern ausgerüstete Handhabungseinrichtung, die vorgegebene Bewegungsabläufe nach einem festen Programm abfährt".

Quelle: N.N.: FH-Weingarten

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VLRob.pptFolie 16Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Encyclopaedia Galactica (D. Adams):„Technische Vorrichtung, die dazu dient, dem Menschen die Arbeit abzunehmen.“

VDI-Richtlinie 2860: Industrieroboter„Universell einsetzbarer Bewegungsautomat mit mehreren Achsen, deren Bewegungen […] programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs-und/oder Fertigungsaufgaben ausführen.“

P. Hoppen: Autonomer mobiler Roboter„Maschine, die sich in einer natürlichen Umgebung aus eigener Kraft und ohne Hilfestellung von außen bewegen und dabei ein ihr gestelltes Ziel erreichen kann. […] Dabei erkennt sie die Umwelt, sofern dies notwendig ist, über eigene Sensoren.“

Robot Institute of America:„A programmable, multifunction manipulator designed to move material, parts, tools, or specific devices through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks.“

Begriffsdefinitionen

Angelehnt an: Guicking, Axel, Lehrstuhl für Informatik VI, Universität Würzburg, 2000

Europäische Norm EN 775: Industrieroboter„Ein Roboter ist ein automatisch gesteuertes, wiederprogrammierbares, vielfach einsetzbares Handhabungsgerät mit mehreren Freiheitsgraden, das entweder ortsfest oder beweglich in automatisierten Fertigungssystemen eingesetzt wird.“

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VLRob.pptFolie 17Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Einteilung der Roboter nach Einsatzgebieten

• IndustrieroboterArbeiten in Fabriken und Montagehallen:Schweißroboter, Lackierroboter, Montageroboter, ...

• Serviceroboter (In der Entwicklung, erste Anwendungen)Arbeiten in anderen, von Menschen bevölkerten Gebieten:Putzroboter, Rasenmäher, Museumsführer, ...

• Geländeroboter (Beginn der Entwicklung)Arbeiten in der rauen Natur oder an Orten, die für Menschen nicht mehr zugänglich sind:Tiefsee, Weltraum, Kernkraftwerke, Kanalreinigung, Orangen pflücken, ...

• Autonome Roboter / Agentensysteme (Forschung)Fußballspieler, Laufmaschinen, Artificial Life, „Androiden“

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VLRob.pptFolie 18Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Industrieroboter

• Arbeiten in komplett von Menschen geschaffener Umwelt (Fabriken)

• Heute sind eine knappe Million Industrieroboter weltweit im Einsatz (der Großteil davon in Japan, gefolgt von Deutschland und den USA).

• Meist nicht autonom und nicht mobil:Roboter müssen an neue Produktevon Menschen angepasst,also umprogrammiert werden.

• Häufig Fließbandarbeit wie Schweißen, Polieren, Lackieren, ...

• Unterstützung der menschlichenArbeitskräfte durch Handhabung von Bauteilen (Zusammensetzen von Autos).

• Kooperierende Roboter (Cobot):Roboter verrichten gemeinsammit Menschen eine Arbeit.

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VLRob.pptFolie 19Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Serviceroboter

• Arbeiten in einer zumindest teilweise künstlichen Umwelt, in der Menschen leben.

• Unterscheidung zwischen:

• Roboter zur Unterstützung menschlicher Arbeit wie Putzroboter, ...

• Interaktive Serviceroboter wie Museumsführer, Pflegeroboter

Unterstützende Serviceroboter:

• SkyWash: Putzroboter für Jumbojets (Preis: 5 Mio. DM, Fraunhofer-IPA)

• SIRIUSc: Fassadenreinigungsroboter für Hochhäuser (Fraunhofer-IFF)

• Lely: Melkroboter mit individueller Kuh-Erkennung

• Tennisballsammler Pioneer I mit Farbkamera und Bürste

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VLRob.pptFolie 20Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Interaktive Serviceroboter

• Für den interaktiven Umgang mit Menschen ist Kommunikation erforderlich.

• RHINO: Ein autonomer, mobiler, interaktiver Museumsführer der Universität Bonn. Hauptschwerpunkte:

• Schnelle und zuverlässige Bewegung in hochdynamischer Umwelt• Interesse der Besucher wecken• Interaktionsfähigkeit (Touchscreens)• Toleranz gegenüber unkooperativen Museumsbesuchern• Fernsteuerung über Web-Interface• Literatur: W. Burgard et al.: Experiences with an interactive museum tour-

guide robot. Artificial Intelligence 114 (1999), S. 3-55.

• Museum für Kommunikation, Berlin (Fraunhofer-IPA):

• „Komm-rein“: Begrüßt die Besucher, gibt aktuelle Infos

• „Also-gut“: Führt die Besucher durch das Museum

• „Mach-was“: Animiert die Besucherzum Ball spielen

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VLRob.pptFolie 21Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Geländeroboter• Arbeiten in praktisch natürlicher Umwelt („draußen“).

• Einsatz in der Natur oder in Gebieten, die für Menschen • nicht oder nur schwer zugänglich sind:

Tiefsee, Weltraum • gefährlich sind: Minensuche,

Unfälle in Kernkraftwerken

• KURT/MAKRO: Kanalreinigungsroboter der Fraunhofer-Gesellschaft:

• Konventionelle Reinigung ist sehr zeit- und damit kostenintensiv, da Inspektionsplattformen häufig umgesetzt werden müssen.

• Kurt: Autonome mobileRoboterplattform zur Erkennung von Rissen etc. Versagt bei höheren Stufen.

• Makro: 5 Segmente, 4 Knickelemente,kann Höhenunterschiede bis zu 35 cm überwinden.

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VLRob.pptFolie 22Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Neue Anwendungsfelder: Sanierung

Autonome Kletterroboter sind prädestiniert, Aufgaben bei der Sanierung von Kernkraftwerken oder Betonbauwerken zu übernehmen. Der Einsatz menschlicher Arbeitskräfte wäre hier zu gefährlich, zu teuer oder gar technisch unmöglich.

Die im englischen Portsmouth ansässige Firma Portech Ltd. entwickelt Service Roboter für Sanierungsaufgaben wie z.B. den Demonstrator ROBUG 2.

Der spinnenähnliche Roboter besitzt vier mit Sauggreifern ausgerüstete Beine, die über ein Drehgelenk im Zentrum des Systems paarweise verbunden sind.

Schritt für Schritt bewegt sich ROBUG 2 vorwärts; wegen seines tiefen Schwerpunktes läuft er sehr stabil. Er kann sogar vom Boden aus eine vertikale Wand hochklettern.

Quelle: Portech Ltd., UK

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VLRob.pptFolie 23Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Neue Anwendungsfelder: Medizin

Quelle: Schraft, Uni Stuttgart,

Fraunhofer IPA

Fraunhofer IPA / Siemens AG: Prototyp OP 2015:Medizinisch universell einsetzbares mechatronisches Assistenzsystem

bestehend aus:• Operationsroboter mit Stabkinematik (Hexapod). Diese Bauform erlaubt

extrem hohe Genauigkeiten im Mikrometerbereich und bietet hohe Steifigkeit bei vergleichsweise kleinem Bauraum.

• Steuerung des Operationsroboters aus einem flugsimulatorähnlichen Operationscockpit.

• Taktile Rückkopplung der Bewegung zur Unterstützung bei der Bedienung des Systems.

Cockpit

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VLRob.pptFolie 24Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Firma GolfPro International, Santa Clara, Kalifornien: Autonomer Golf-Caddy.Kann seit Herbst 1997 auf Amerikas Golfplätzen für 10 $ pro Runde gemietet werden.

• Ein Sender in der Hosenasche des Golfers meldet dem Roboter, wenn sich der Sportlerzum nächsten Loch begibt.

• Eine im Onboard-Computer gespeicherteKarte des Golfplatzes dient in Verbindung mit einem eingebauten GPS-System zur absoluten Positionsbestimmung des Robotercaddy.

• Ultraschallsensoren verhindern den Kontakt mit unvorhersehbaren Hindernissen. Mit Hilfe eines Displays kann sogar die momentane Entfernung zum nächsten Loch abgerufen werden.

Neue Anwendungsfelder: Hobby, Freizeit

Quelle: Schraft, Uni Stuttgart, Fraunhofer IPA

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VLRob.pptFolie 25Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Der RoboCup

• Populäre internationale Wettbewerbe in verschiedenen Ligen.

• Erfordert Fähigkeiten auf verschiedenen Gebieten:

• Autonome Agenten,

• Multi-Agenten-Kollaboration,

• Strategieentwicklung und -anpassung,

• Echtzeitauswertung von Sensordaten(Vision, Laserscans).

• Ligen sind beispielsweise:

• Simulationsliga,

• F-2000 Liga (Königsdisziplin),

• Sony Legged Robot League.

Weitere Infos: http://www.robocup.org/und beim Spiegel-Online: http://www.spiegel.de/netzwelt/robocup/

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VLRob.pptFolie 26Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Einsatz von Industrierobotern - international

74.317China1)

29.837Taiwan1)

66.640Andere Europa

124.190Südkorea1)

1.153.097Weltweit

369.965Europa184.679USA, CDN, MEX

Installierte Roboter (gesamt) in 2011

1) Japan/Asien rechnet so genannte „roboterähnliche Spezialgeräte“ den Robotern zu.

157.241Deutschland

307.201Japan1)

Quelle: United Nations – International Federation of Robotics. Jahrbuch „www.ifr.org“

13.641England34.461Frankreich62.245Italien

StückLand

Quelle: VDI nachrichten 9. August 2002

10.000ABB

7.300Kuka

12.000Fanuc

Hergestellte Roboter in 2001Hersteller

In Europa verkaufte IR in 2001

Deutschland: 12.500 IR

41%

Italien: 6400 IR 21%

Spanien: 3700 IR 12%

Frankreich: 3400 IR 11%

England: 1800 IR 6%

Sonstige: 2700 IR 9%

Quelle: United Nations –International Federation of Robotics. Jahrbuch „World Robotics 2002“, Stand 2001

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VLRob.pptFolie 27Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Anzahl Industrieroboter in Deutschland

02.0004.0006.0008.000

10.00012.00014.00016.000

Besch

ichte

n

Punkts

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Bahns

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Entgr

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Werkzeughandhabung Werkstückhandhabung

199019952000

Einsatz von Industrierobotern in Deutschland

Angelehnt an: Kroth, Eberhard: Fa. Reis Robotics

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VLRob.pptFolie 28Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Automotive

Nachrichtentechnik, elektron. Bauelemente

Metallerzeugnisse

Nahrungsmittel

Chemie, Gummi, Kunststoff

Sonstige, bzw. keine Zuordnung

Maschinenbau

Kundenbranchen der Industrieroboter in Deutschland

38 %

28 %

17 %

8 %

3 %

3 %

3 %

Quelle: VDMA, Robotik und Automation.Entnommen aus VDI nachrichten 19/06

4,3 Mrd. €(2005)

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VLRob.pptFolie 29Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Umsatz Robotik und Automation

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

Jahr

Mrd

. €

Industrieroboter - Markt in Deutschland

Quelle: FV Robotik + Automation im VDMA (entnommen aus VDI-Nachrichten 16/02, 47/03 und 19/06,VDI-Z 151 (2009) 4, S. 15)

Robotik

Montage- und Handhabungstechnik

Exportanteil: ~50%

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VLRob.pptFolie 30Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Einsatz von Servicerobotern - international

1.000360Handicap / Assistance

9.8003.500Melkroboter

2.450.000

41.000

5.800.000

450

7.700

3.000

9.500

5.600

4.800

1.600

7.290

2009

200100Humanoide (F&E, Unterhaltg.)

1.900.00053.500Haushalt

20.7008.300Erziehung / Ausbildung

914.000545.000Unterhaltung, Hobby, Freizeit

5.680Unterwassersysteme

1.380260Wachdienst / Minensuche

3.4001.910Mobile Plattform (allg.)

3.3302.285Medizin / Operation

3.5802.700Bau / Abbruch

650280Inspektion

5.3503.370Reinigung

20052002

Aibo – Roboterhunde von Sony: 130.000 in 2003

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VLRob.pptFolie 31Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

3. Bauformen von Industrierobotern

• Komponenten eines Industrieroboters

• Grundtypen von Industrierobotern

• Kartesische Roboter und Portalroboter

• Horizontal-Knickarmroboter (SCARA)

• Vertikal-Knickarmroboter

• Parallelkinematiken

• Anwendungsbeispiele

• Vergleich konventioneller Roboter / Parallelkinematiken

• Einsatzspezifische Kenngrößen

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VLRob.pptFolie 32Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Ein Industrieroboter besteht aus folgenden Komponenten:

• Fahrzeug: Lokomotion (bodengebunden, schwebend oder unter Wasser). Meist 3 Freiheitsgrade (x/y-Richtung und Rotation um z-Achse).

• Roboterarm: Führt den Endeffektor und besteht aus rotatorischenund translatorischen Achsen. Meist 4-6 Freiheitsgrade.

• Effektor, Endeffektor, Hand: Interaktion mit der Umwelt, Manipulation von Werkstücken, Werkzeugen, Messzeugen oder Beobachtungsgeräten, beispielsweise Kameras.

Komponenten eines Industrieroboters

Fahrzeug

Roboterarm

Effektor

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Robotertechnik

Nach DIN EN ISO 8373, 1996

Grundtypen von Industrierobotern

Kartesischer Roboter: Portalroboter

Zylindrischer Roboter(Horizontal-Knickarmroboter)

Polarroboter

Pendularroboter Gelenkroboter(Vertikal-Knickarmroboter)

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VLRob.pptFolie 34Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Kartesische Roboter und Portalroboter

Quellen: R.D. Schraft, Uni Stuttgart, Fraunhofer IPA, Fa. Reis Robotics

Anwendungsgebiete:Palettieren, KommissionierenFertigteilfertigung für die BauindustrieBeschicken von Werkzeugmaschinen

☺ Verfahren in kartesischen Raumkoordinaten ohne Koordinatentrans-formation möglich(einfache Steuerung)

☺ keine großenAnforderungen an dasräumliche Vorstellungs-

vermögen desProgrammierers

☺ steife Struktur, daher sehr große Arbeitsräume möglich (Portalroboter)

� großer Kollisionsraum� große Stellfläche� niedrige Arbeitsgeschwindigkeit� Spiel in den Achsführungen

unvermeidlich� Arbeitsraum innerhalb der

Roboterabmessungen

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VLRob.pptFolie 35Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Bei Fügeprozessen und Palettierarbeiten im Rahmen von Montageaufgaben gelten die folgenden Anforderungen:

• geringe Werkstückmassen • sehr kurze Taktzeiten• hohe Positioniergenauigkeit • kleiner notwendiger Arbeitsraum.

Horizontal-Knickarmroboter (SCARA)

Anwendungsgebiete:Montage, Fügen,Bestücken von Leiterplatten und Magazinen,Löten

☺ hohe Steifigkeit in vertikaler Richtung

☺ Eigengewicht des Roboters wirkt nicht auf die Antriebe

☺ hohe Geschwindigkeit und Beweglichkeit auch bei großen Reichweiten

� Form des Arbeitsraums beschränkt die Anwendungsgebiete

Quellen: R.D. Schraft Fraunhofer IPA,C. Woernle Uni Rostock, Fa. Sankyo

SCARA = Selective Compliance Assembly Robot Arm(Montage Roboter mit selektiv elastischem Arm).

Zwei Bauarten fürvertikale Achse:

Als erste Achse

Als vierte Achse

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Robotertechnik

Anwendungsgebiete:Beschichten und LackierenPunkt- und BahnschweißenWerkstückhandhabungPalettierenEntgraten, Kleberauftrag

Vertikal-Knickarmroboter

Quelle: C. Woernle, iam Uni Rostock

☺ Geringes Störvolumen☺ Umgreifen von Hindernissen möglich☺ Von allen Roboterbauarten am

universellsten einsetzbar� Belastung der Antriebe durch das

Eigengewicht erfordert meist einen Gewichtsausgleich

Handachs-Motoren alsGegengewicht

HydropneumatischerGewichtsausgleich

KUKAKR 500

Handachsen meist als “Zentralhand”: Drei sich in einem Punkt schneidende

Drehachsen

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Robotertechnik

ParallelkinematikenIm Gegensatz zu klassischen Industrierobotern wirken die Antriebsachsen parallel auf den Endeffektor. Eine Parallelkinematik besteht in der Regel aus einer festen und einer bewegten Plattform, die über mehrere parallele kinematische Glieder miteinander verbunden sind. Dadurch ergeben sich einige prinzipielle Unterschiede:

Vorteile:• Höhere Genauigkeit und Steifigkeit, da sich die Positionierfehler und

Elastizitäten der einzelnen Antriebsachsen nicht addieren.• Besseres Last-Massen-Verhältnis, da die

Antriebe direkt auf die Last wirken und nicht noch zusätzlich nachfolgende Armglieder tragen müssen.

Nachteile:• Eingeschränkter Arbeitsraum, da

sich die Bewegungen der Antriebs-einheiten ebenfalls nicht addieren.

• Kinematische und dynamische Beziehungen aufgrund der geschlossenen kinematischen Ketten erheblich komplexer.

Bewegte Plattform

Kinematisches Glied

Feste Plattform

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Robotertechnik

Anwendungsbeispiele für Parallelkinematiken

Bewegungssimulatoren: Aufgrund hoher Lastmassen und Beschleunigungen werden Bewegungssimulatoren in der Regel als hydraulische Plattformen aufgebaut.

Flugsimulator 737 FNPT II der Fa. FrascaInt., Inc.

Hexamove(Hexapod) der Fa. OHE Hagenbuch AG

Industrieroboter:

Fanuc F-200i(Last: 100 kg; Masse: 170 kg)

Flexpicker IRB340 (Delta-Roboter) von ABB für extrem hohe Geschwindigkeiten

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VLRob.pptFolie 39Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Parallelkinematik-Roboter ABB IRB 940 (Tricept)Typische Einsatzgebiete• Mechanische Bearbeitung (Trennen, Bohren, Schleifen)• Schweißen, BrennschneidenEigenschaften• Teilweise geschlossene kinematische Kette• Günstig für Aufnahme von Bearbeitungskräften

q1

q2 q3

Schubgelenk (passiv) Drehgelenke (passiv)

Kardangelenke

Schraubtriebe

Bis zu drei serielle Handachsen

Parallele Hybrid-struktur:

Nach C. Woernle,iam - Uni Rostock, 2003

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Robotertechnik

Vergleich konventioneller Roboter / Parallelkinemat iken

einfacherMath. Berechnungsaufwand(Kinematik, Dynamik)

besserFlexibilität(Anpassbarkeit an Aufgabenstellung)

besserArbeitsraum (Größe, Hindernisvermeidung)

besserBeschleunigungen am Endeffektor

besserLast/Massen-Verhältnis

besserSteifigkeit

besserWiederholgenauigkeit

besserAbsolutgenauigkeit

ParallelkinematikenSerielle Roboter

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Robotertechnik

• Mittlere Genauigkeit, mit der ein Punkt im Arbeitsraum angefahren wird

• Räumliche AuflösungBeispiel: 1 m Bewegungsbereich und 16 Bit Darstell-genauigkeit ergibt 216 = 65.536 Schritte. Damit folgt: 1 m / 65.536 = 0,000015 m = 0,015 mm = 15 µm Auflösung.

• Mechanische Systemgrößen

• Bewegungsraum, Arbeitsraum

• Nennlast• Werkzeuglast• Nutzlast• Maximallast• Nennmomente

• Geschwindigkeiten• Beschleunigungen• Überschwingen• Zykluszeiten

KinematikGeometrie Belastung

Genauigkeit

Wiederholgenauigkeit

• mittlere Positionsstreubreite• mittlere Orientierungsstreubreite• mittlere Umkehrspanne

Referiergenauigkeit

Einsatzspezifische Kenngrößen für Roboter

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Robotertechnik

Aus drucktechnischen Gründen leere Folie!

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Robotertechnik

4. Roboterkinematiken

• Begriffe Kinematik, Dynamik und Achsen

• Freiheitsgrad und Bewegungsfreiheitsgrad

• Symbolische Darstellung von Kinematiken

• Konfigurationen und Arbeitsräume

• Direkte und inverse Kinematik

• Werkzeug-Koordinatensystem, Tool-Center-Point

• Darstellung der Orientierung

• Beispiel: Direkte und inverse Kinematik des SCARA

• Übungsaufgabe

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Robotertechnik

Begriffe Kinematik, Dynamik und Achsen

Die Dynamik befasst sich mit der Betrachtung von Kräften (Trägheitskraft, Schwerkraft, Antriebe), die auf die Roboterkomponenten einwirken.

Die Kinematik beschreibt den mechanischen Aufbau des Roboters, d.h. die räumliche Zuordnung der Bewegungsachsen nach Folge und Aufbau. Sie beschäftigt sich mit der Geometrie und den zeitabhängigen Aspekten der Bewegung.

In der Kinematik wird von allen dynamischen Aspekten abstrahiert.

Die einzelnen Glieder eines Industrieroboters sind über Linearführungen und Drehgelenke zu einer kinematischen Kette miteinander verbunden. Die Glieder, Gelenke und deren Antriebe bilden die Achsen des Roboters .

Die Hauptachsen dienen hierbei zum Positionieren des Endeffektors, d.h. des Werkzeugs oder Werkstücks, im Raum.

Die Hand- oder Kopf- oder Nebenachsen sind in erster Linie für die Orientierung des Werkzeugs zuständig und bestehen daher in der Regel aus einer Reihe von Drehgelenken.

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VLRob.pptFolie 45Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Die Achsen 1,2 und 3 sind die Hauptachsen des Roboters.

Mit Hilfe der Hauptachsen werden die Achsen 4,5 und 6, die als Kopf- oder Handachsen bezeichnet werden, im Arbeitsraum positioniert.

Durch die zusätzlichen Bewegungsmöglichkeiten der Handachsen kann der Greifer oder das Werkzeug im Raum so orientiert werden, wie es für die Bearbeitungs-oder Handhabungsaufgabe erforderlich ist.

Mit den 6 Bewegungsachsen eines Industrieroboters lassen sich alle 6 Freiheitsgrade im Raum einstellen.

Achsen eines Knickarmroboters

Quelle: Kroth, Eberhard: Reis Robotics

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VLRob.pptFolie 46Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beispiele für Haupt- und Nebenachsen

HA = Hauptachse, NA = Nebenachse

Zylindrisch Kugelförmig Hexapod

Nach D. Scholz, FH-Münster

Vertikal Knickarm Horizontal Knickarm Kartesisch / Portal

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VLRob.pptFolie 47Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Gelenkbauformen für Hauptachsen

Die verschiedenen Kinematiken der Industrieroboter lassen sich immer aus den 3 Grundbauformen für Gelenke aufbauen.

• Linearachsen / Translatorische Achsen /Schubachsen :

• frei konfigurierbarer Arbeitsraum• beliebig erweiterbarer Arbeitsraum• günstige Kinematik für Handhabungs- und Palletieraufgaben• steife Gesamtkonstruktion durch mechanische

Entkopplung der Achsen• Rotatorische Achsen :

• schnelle Bewegungen• kostengünstig für kleine Arbeitsräume• vorteilhafte Kinematik für Bearbeitungsaufgaben

• Zwangsgekoppelte Achsen :• Kosteneinsparung• Reduzierung der Bewegungsfreiheiten

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VLRob.pptFolie 48Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Freiheitsgrad eines Objekts im dreidimensionalen, e uklidischen Raum• Anzahl möglicher unabhängiger Bewegungen im

Bezugskoordinatensystem – definiert durch die minimale Anzahl von Translationen und Rotationen zur vollständigen Beschreibung der Stellung (Lage) des Objekts

• Für im dreidimensionalen Raum frei bewegliche Objekte gilt: Freiheitsgrad: f = 6 (3 Translationen und 3 Rotationen)

Bewegungsfreiheitsgrade (Getriebefreiheitsgrade) ei nes Roboters• Anzahl der Bewegungsmöglichkeiten des Roboters• Freiheitsgrad eines Rotationsgelenks: FR ≤ 3• Freiheitsgrad eines Translationsgelenks: FT = 1 • Anzahl der Gelenke eines Roboters: n ,meist n ≤ 6

� Bewegungsfreiheitsgrade:

Mit F ≥ f

Kinematisch bestimmter Roboter: f = FKinematisch redundanter Roboter: f < F

Freiheitsgrad und Bewegungsfreiheitsgrad

)FF(F TR ii

n

1i+=∑

=

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VLRob.pptFolie 49Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Freiheitsgrad: Beispiele

• Auf dem Boden bewegliches Fahrzeug:• Translation auf der Bodenfläche in x- und y-Richtung sowie• Drehung um die senkrecht zur Bodenfläche stehende z-Achse

Freiheitsgrad f = 3

• Tennisball:• Mittelpunkt im Raum (x,y,z-Koordinate) • Rotation um die Achsen des kartesischen Koordinatensystems

Freiheitsgrad f = 6

• 8-achsiger Roboter:• Freiheitsgrad f = 6,• Bewegungsfreiheitsgrad F ist 8

• Freiheitsgrad f einer menschlichen Hand ist 6, der Bewegungsfreiheitsgrad F ist 22

• Freiheitsgrad f eines menschlichen Arms ) incl. Schulter ist 6, Bewegungsfreiheitsgrad F ist 7

Um ein Freiheitsgrad f = 6 für den Effektor eines Roboters zu erreichen, sind mindestens F = 6 Bewegungsachsen nötig

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Robotertechnik

Gelenke und Freiheitsgrade

f = 3f = 2f = 2f = 1f = 1

Kugelgelenk

(Spherical)

Kardan-gelenk

(Universal)

Drehschub-gelenk

(Cylindric)

Schubgelenk

(Prismatic)

Drehgelenk

(Revolute)

Quelle: iam, Uni Rostock

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VLRob.pptFolie 51Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Bezeichnungen

Achsen

TranslationsachseTranslation fluchtend (Teleskop)Translation nicht fluchtendVerfahrachse

RotationsachseRotation fluchtendRotation nicht fluchtend

Werkzeuge

Greifer

Kennzeichnung von Systemgrenzen

Trennung zwischen Haupt- und Nebenachsen

Symbol Bemerkungen, Beispiele

Symbol mit Angabe der Bewegungsmöglichkeit

Spritzpistole SchweißzangeZangengreiferKurzer Trennstrich echte Schnittstelle, z.B. auswechselbare Werkzeuge

Darstellung des kinematischen Aufbaus von IR

Nac

h V

DI 2

861,

Bla

tt 1,

198

8

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Robotertechnik

Beispiel für die symbolische Darstellung eines IR

VDI 2861 sieht auch eine Symbolsprache für die Beschreibung der Konfigurationen vor:

• X, Y, Z, U, V und W für die Linearachsen

• A, B, C, D, E und F für die Drehachsen

• Q, R, S und T für sonstige Achsen

Mit einem Trennstrich „/“ werden die Hauptachsen von den Nebenachsen getrennt

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Robotertechnik

Bestimmung der Achsbezeichnungen

Die Achsbezeichnungen für Industrieroboter beziehen sich auf ein ortsfestes kartesisches Koordinatensystem mit den horizontalen Achsen X und Y und der vertikalen Achse Z

Zur Bestimmung der Achsbezeichnungen wird die Grundstellung des IR angenommen

In der Grundstellung sind alle ortsfesten und ortsbeweglichen Achsen parallel bzw. symmetrisch zum Bezugskoordinatensystem ausgerichtet

Symbolische Darstellung eines siebenachsigen IR: Nach VDI 2861, Blatt 2, 1988

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VLRob.pptFolie 54Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Nach VDI 2861, Blatt 2, 1988

Schnittstellen eines IR und angrenzender Peripherie

Reale Darstellung Symbolische Darstellung

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VLRob.pptFolie 55Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Konfigurationen und Arbeitsräume

Bezeichnung AnordnungKinematisches

Ersatzbild Arbeitsraum

Kartesisches Gerät

Zylinder-koordinatengerät

Kugel-koordinatengerät

Horizontales Knickarmgerät

Vertikales Knickarmgerät

XZ

Y

X

Z

Y

C D E C D E

ZZ

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VLRob.pptFolie 56Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Arbeitsraum des Bosch SR 800 (SCARA)

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VLRob.pptFolie 57Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Arbeitsraum eines Knickarmroboters (Kuka KR 2)

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VLRob.pptFolie 58Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Kinematik: Sonderbauformen

Neben den klassischen Kinematiken gibt es eine Vielzahl von Sonderbauformen, die zum Teil für spezielle Aufgabenstellungen entwickelt wurden. Zum Teil sind es Abwandlungen der klassischen Bauformen, die durch unterschiedliche Reihenfolge bei der Anordnung der Achsen entstehen. Sonderbauformen können so aufgebaut sein, dass sie

• bessere Zugänglichkeit• bessere Steifigkeit• bessere Bewegungsfreiheit

für spezielle Anwendungsbereiche bieten.Ein weiterer wichtiger Aspekt für Sonderbauformen ist der Preis des Roboters für eine bestimmte Aufgabenstellung.

Bild: Fa. Motoman

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VLRob.pptFolie 59Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Direkte und inverse Kinematik

Für die Steuerung eines Roboters wird die Effektorstellungin Weltkoordinaten (Basiskoordinaten) vorgegeben. Diese müssen zur Steuerung der Motoren des Roboters in Gelenkvektoren (Roboterkoordinaten) umgerechnet werden, d.h. es wird die inverse Kinematik benötigt.

Direkte Kinematik(Hintransformation)

Inverse Kinematik(Rücktransformation)

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VLRob.pptFolie 60Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Werkzeug-Koordinatensystem und Tool Center Point

Werkzeug-Koordinatensystem:

Zur Beschreibung der Orientierungen für das Werkzeug gibt es herstellerabhängig verschiedene Definitionen. Die Orientierung des Werkzeuges ändert sich, wenn die Werkzeugspitze an einer Stelle positioniert bleibt und das Werkzeug um diese Position kippt bzw. gedreht wird.

Tool Center Point (TCP)

Ursprung des Werkzeug-

Koordinatensystems

Handgelenk

Werkzeug

Z

Y

XHandgelenk-Flansch

Gleiche Position – verschiedene Orientierung:

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VLRob.pptFolie 61Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Roll-Pitch-Yaw: Das aus der Schifffahrt und Luftfahrt bekannte System wird auch in der Roboterprogrammierung angewandt.Dabei erfolgen die Rotationen A, B, C um die unveränderten Achsen X (Roll, Rollen), Y (Pitch, Stampfen, Nicken) und Z (Yaw, Gieren).

Darstellungen der Orientierung

Euler-Winkel: Die Rotationen werden nacheinander um die Achsen der neuen Koordinatensysteme durchgeführt. Die Reihenfolge muss angegeben werden!ZX‘Z‘‘ – in der Mathematik übliche Definition. Drehung nacheinander um die Z-Achse, um die X’-Achse des neuen Koordinatensystems und um die Z’’-Achse des wiederum neuen Koordinatensystems. ZY‘X‘‘ – wird z.B. bei IRDATA verwendet.ZY‘Z‘‘ – z.B. bei Programmiersprache VAL für PUMA-Roboter.

Weitere Verfahren: Z.B. Quaternionen (Erweiterung komplexer Zahlen)

Z

Y

X

Yaw

Pitch

Roll

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VLRob.pptFolie 62Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Koordinatentransformation und Greifer / Werkzeug

Die Koordinatentransformation der Steuerung besteht meist aus zwei Teilen:

• Roboterkinematik bis zum Flansch

• Werkzeug- / Greiferkinematik vom Flansch bis zum TCP

• Die sogenannten „Flansch-Koordinaten“ werden beschrieben mit

• Position : x, y, z

• Orientierung: R(z), R(y), R(x) nach Euler oder Roll/Pitch/Yaw

und bilden den Ursprung des Greifer/Werkzeug-Koordinatensystems

• Die Steuerung bezieht sich meist auf denTCP des aktuellen Greifers / Werkzeugs(Die genauere Beschreibung ist den jeweiligen Handbüchern zu entnehmen)

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VLRob.pptFolie 63Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

SCARA = Selective ComplianceAssembly Robot Arm (Montage Roboter mit selektiv elastischem Arm).

Zur Vereinfachung der Rechnung wird der Roboter von oben betrachtet, d.h. die X-Y-Ebene dargestellt und nur der Knickarm als planares System gerechnet.

Die Berechnung der weiteren Achsen erfolgt dann nach dem gleichen Prinzip und kann gut als Übung dienen.

Direkte und Inverse Kinematik: Beispiel SCARA-Robote r

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VLRob.pptFolie 64Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

SCARA: Direktes kinematisches Problem

Ist P(x,y) der Endpunkt des, vom Rumpf aus gesehen, zweiten Arms des Scara, so gilt für die Koordinaten von P

y

L1

L2

β

α

P(x,y)

x

)(sinLsinLy

)(cosLcosLx

21

21β+α+α=β+α+α=

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VLRob.pptFolie 65Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

SCARA: Inverses Kinematisches Problem - 1

y

L1

L2

β1

α1

P(x,y)

x

L1 α2

γ

β2

L2 C

1. Schritt: Berechnen von C22 yxC +=

GrenzwertbetrachtungC > L1 + L2 : geometrisch nicht möglich (keine Lösung)C < |L1 - L2| : geometrisch nicht möglich (keine Lösung)C = 0 und L1 = L2 : Winkel beliebig

2. Schritt: Berechnung von γγ = arctan (s/c)

Problem: arctan ist mehrdeutig, gilt immer nur in einem Quadranten� oft wird die erweiterte arctan-Funktionverwendet: atan2

atan2(s,c) wird so ausgewertet:α = π/2 bzw. 90° für c = 0, s > 0α = -π/2 bzw -90° für c = 0, s < 0α = arctan(s/c) für c > 0α = arctan(s/c) + π für c < 0, s ≥ 0α = arctan(s/c) - π für c < 0, s < 0 undefiniert für c = s = 0

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Robotertechnik

SCARA: Inverses Kinematisches Problem - 23. Schritt: Betrachtung der Armlängen L1 und L2C = L1 + L2

mit α1 = α2 = γ; β1, β2 = 0

undC = |L1 ± L2| wird mitL1 > L2 : α1 = α2 = γ� β1 = +180°� β2 = -180° (also zwei Lösungen)

y

L1 β1 = +180°

α P(x,y)

x

L2 β2 = -180°

L1 < L2: α1 = α2 = γ - 180°� β1 = +180°

� β2 = -180° (also zwei Lösungen)

y

γ

P(x,y) x

L1 L2

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VLRob.pptFolie 67Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

SCARA: Inverses Kinematisches Problem - 3

4. Schritt:Der „Normalfall“: β1 und β2 berechnenEs ist

C < L1 + L2 (keine gestreckten Arme)

und

C > |L1 – L2| (Arme nicht „gefaltet“)womit gilt:

y

L1

L2 β1

α1

P(x,y)

x

L1 α2

γ

β2

L2 C

yp

xp

Für das untere schiefwinklige Dreick gilt:

xp2 + yp

2 = C2 = L12 + L2

2 + 2L1L2 cos β1 (Cosinussatz)

Für das obere schiefwinklige Dreieck gilt

xp2 + yp

2 = C2 = L12 + L2

2 + 2L1L2 cos β2 (Cosinussatz)und es ist auchβ1 > 0β2 < 0(aber beide haben den gleichen Betrag!)und man kann die Gleichungen gleichsetzen:xp

2 + yp2 = C2 = L1

2 + L22 + 2L1L2 cos β1

= L12 + L2

2 + 2L1L2 cos β2

( )

+−+±=β

21

22

21

22

1 LL2

LLyxarccos

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VLRob.pptFolie 68Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

SCARA: Inverses Kinematisches Problem - 4

5. Schritt: α1 und α2 berechnen

y

L1

L2

α1

P(x,y)

x

L1 α2

γ -δ

L2 C

δ

α1 = γ - δ α2 = γ + δ Mit dem Cosinussatz wirdL2

2 = L12 + C2 – 2 C L1cos δ

+−=δ

CL2

CLLarccos

1

222

21

Fazit:

Der Weg der „traditionellen Geometrie“ führt zum Ziel, ist aber

• Recht aufwändig abzuleiten

• Nicht übertragbar auf andereKinematiken

• Führt bei komplexen Kinematikenzu umfangreichen „Kunstwerken“

Bei mehrdeutigen Lösungen besteht bei der inversen Kinematik das Problem, welche der Lösungen man in der Steuerung auswählt:

• Programmierer des Anwendungsproblemswählt aus.

• Vorherige Stellung als Entscheidungs-kriterium, z.B. die Winkel, die amnächsten liegen nehmen.

• Hindernisse erkennen � Den Fall derKollisionsvermeidung nehmen.

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VLRob.pptFolie 69Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Übung: K‘-transformation mit konventioneller Geometr ie

z

y

yp

P(xp, yp, zp)

zp

α

Festpunkt

Gelenk 2(Rotation)

Gelenk 1(Translation)

d3

Gelenk 3(Translation)

d1

xp

x

Aufgabe mit einfach zur rechnenden dimensionslosen Zahlenwerten:

a) Direktes ProblemGegeben:d1 = 3, d3 = 4, α = 30°Gesucht: Position von PLösung:xP = 3,464yP = 2,0zP = 3

b) Inverses Problem:Gegeben:xP, yP, zP , Werte wie a)Gesucht: d1, d3, αLösung: siehe a)

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VLRob.pptFolie 70Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

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VLRob.pptFolie 71Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

5. Koordinatentransformation

• Grundlagen• Position und Orientierung eines Körpers im Raum• Rotationen• Homogene Koordinaten und Transformationen

• Denavit-Hartenberg-Verfahren (direktes kinemat. Problem)• Beschreibung nach DH• Bezeichnungen nach DH• DH-Transformation für Translation und Rotation• Bestimmung der DH-Parameter• Anwendung von DH auf Industrieroboter• DH am Beispiel eines SCARA-Roboters• Übungsaufgaben

• Inverses kinematisches Problem• Analytisches Verfahren von Paul• Numerische Verfahren

• Beispiel: SCARA• Übungsaufgaben

• Singularitäten

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VLRob.pptFolie 72Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Es wird unterschieden:• Bezugskoordinatensystem (base frame);

fixiert, ortsfest,z.B. am Boden festgeschraubter Roboter

• Körperkoordinatensystem (body baseframe); angesiedelt in einzelnen Körpern, bei Robotern z.B. fixiert im Gelenk oder im Schwerpunkt des Arms oder in „günstigen geometrischen Punkten“

Nächster Schritt:Position und Orientierung bezogen auf Frame B unter zu Hilfenahme von Frame K des Körpers beschreiben

ezB

eyB

exB

ezKeyK

exK

dK

pP

Position und Orientierung eines Körpers im Raum

e = Einheitsvektoren

B

K

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VLRob.pptFolie 73Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Rotation in kartesischen Koordinaten

Generell gibt es drei Freiheitsgrade für die Orientierung im Raum und es werden meist zwei Verfahren zur Beschreibung der Orientierung angewandt:

• Euler-Winkel(Mechanik, …)

• Roll, Pitch, Yaw (Rollen, Gieren, Nicken)(Schifffahrt, Luftfahrt)

z

y

x

u v

w

Ausgangssituation:

=

=

100

010

001

wvu

wvu

wvu

zzz

yyy

xxx

R

R

Mit R = Rotationsmatrix oder Orientierungsmatrix (ui, vi, wi = x-y-z - Koordinaten der Einheitsvektoren):

(allgemein)

(Ausgangssituation / Skizze)

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VLRob.pptFolie 74Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Rotation um die x-, y- und z-Achse

z

y

x

u

v wαααα

αααα

Rotation um x:

ααα−α=α

cossin0

sincos0

001

),x(R

ββ−

ββ=β

cos0sin

010

sin0cos

),y(R

z

y x

u v w

γ

γγγ−γ

=γ100

0cossin

0sincos

),z(R

Rotation um y: Rotation um z:

z

y

x

uv

w

β

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VLRob.pptFolie 75Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

z

y

x

v

u

w

γ = 90°

Kombinationen / Serien von RotationenRotationsmatrizen können miteinander multipliziert werden

� Ergebnis ist eine Serie von Rotationen um die Achsen des Koordinatensystems (Frames)

� Wichtig ist die Reihenfolge der Rotationen!

)90,z( °R

)90,z( °R )30,x( °R

Ausgangssituation

)30,x( °R

z

y

x

v

u

w

γ =90°

z

y

x

v

u

w

α =30°

z

y

x

u

v w

αααα

αααα=30°

z

y

x

u v

w

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VLRob.pptFolie 76Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Homogene Koordinaten

Es sei

=z

y

x

p

Der Spaltenvektor h ist der Skalierungsvektor. In der Kinematik ist h = 1

Damit kann für die Beschreibung der Rotation und Translation eine so genannte homogene 4x4 Matrize aufgestellt werden:

ein Vektor im 3D-Koordinatensystem

dann sind die homogenen Koordinaten des Punktes (Vektors) P

•••

=

h

zh

yh

xh

Hp mit h ≠ 0

M =R T

0 0 0 1

mitR = 3 x 3 Matrix: RotationT = 3 x 1 Vektor: Translation1 = Skalierungsfaktor für Kinematik

Vorteil: Rotation und Translation werden in einer Matrix zusammengefasst

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VLRob.pptFolie 77Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Pp1P

p0P

d1

0

1

Homogene Koordinaten in der Robotertechnik

Orte im Raum können vollständig beschrieben werden durch:d, p = PositionsvektorR = Rotationsmatrix

P11

10

10

P10

10

P00

pRdpdp

+=+=

Hinweis:0R1 = Rotationsmatrix

für Frame 1 bezogen auf Frame 0

P

p1P

p0P d1

0

1

2

d2

p2P

P22

21

10

21

10

10

P20

20

10

P00

pRRdRd

pddp

++=

++=

P11

10

P00

P11

10

10

P00

110

rTr

pdRp

=

=

P22

21

10

P00 rTTr =

In homogenen Koordinaten:

In homogenen Koordinaten:

In Vektorschreibweise:

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VLRob.pptFolie 78Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Homogene Transformationen

Trans(x,y,z) = Verschiebung eines Punktes um x,y,z entlang der jeweiligen Achse:

( )

=

1000

z100

y010

x001

z,y,xTrans

( )

ααα−α

1000

0cossin0

0sincos0

0001

R ,x

Rotation um die x-Achse:

( )

ββ−

ββ

1000

0cos0sin

0010

0sin0cos

R ,y

Rotation um die y-Achse:

Rotation um die z-Achse:

( )

γγγ−γ

1000

0100

00cossin

00sincos

R ,z

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VLRob.pptFolie 79Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beschreibung nach Denavit - Hartenberg

Denavit, J., Hartenberg, R. S.: A kinematic notation for lower pair mechanismsbased on Matrices. Journal of Applied Mechanics, vol. 77, pp. 215–221, June 1955.

Begründung:

• Bisher wurden die Koordinatensysteme intuitiv gewählt

• Es ist aber zweckmäßig, nach einem einheitlichen Schema beziehungsweise Verfahren vorzugehen

• Vorteil: Verschiedene Anwender kommen zu einer gleichen oder zumindest vergleichbaren Beschreibung der Aufgabe

Prinzip:

• Es geht darum, von einem i-tenKoordinatensystem zu einem (i+1)-ten Koordinatensystem zu kommen

• Man beschränkt die Freiheitsgrade der Koordinatensysteme:- eine Drehachse- eine Linearachse

(oft prismatische Achse genannt)

Bei einem Roboter bestehen im Normalfall folgende Möglichkeiten für zwei so genannte kinematische Paare:

Gelenk i

Glied i

Gelenk i+1

LinearachseLinearachse

DrehachseLinearachse

LinearachseDrehachse

DrehachseDrehachse

Gelenk i+1Gelenk i

Form und Masse der Glieder werden abstrahiert

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VLRob.pptFolie 80Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Bezeichnungen nach Denavit-HartenbergDie Gelenkachsen von Gelenk (i) und Gelenk (i+1) fallen mit den z-Achsen der Koordinatensysteme (i-1) und (i) zusammen.

Beispiel für Drehgelenke: Man erkennt:• ai und αi sind durch die

Gelenkkonstruktionen festgelegt.• ai ist die gemeinsame Normale der

Drehachsen (z-Achsen), also der kürzeste Abstand der Achsen.

• ai ist ein Abstand, und daher > 0• αi ist der Winkel, um den man die erste

Achse zi drehen muss, damit sie parallel zur zweiten Achse zi+1 wird.

• αi wird in der Ebene senkrecht zur gemeinsamen Normalen ai gemessen.

• Schaut man von der Pfeilspitze von xi auf diese Ebene, erkennt man die positive Richtung von αi.

• xi läuft kolinear zu ai, und seine Richtung geht von Ki-1 weg nach Ki.

• Die y-Achsen ergänzen die Koordinatensysteme zum Rechtssystem.

Gelenk i

Gelenk i+1qi

qi+1Glied i

yi

Ki-1

ai-1

zi-1

xi-1

yi-1

qi

di

ai

zi

xiαiKi

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VLRob.pptFolie 81Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beschreibung der Drehungen und der Translationen - 1

Es sind drei Schritte abzuarbeiten:

1. Drehung um die Achsezi-1 um den Winkel qi

2. Translation Ki-1 � Ki

3. Drehung um die Achse xi

um den Winkel αi

ααα−α

α

1000

0cossin0

0sincos0

0001

und

1000

d100

0010

a001

,

1000

0100

00qcosqsin

00qsinqcos

umDrehung.3nTranslatio.2qumDrehung.1

ii

ii

i

i

ii

ii

ii

yi

Ki-1

ai-1

zi-1

xi-1

yi-1

qi

di

ai

zi

xiαiKi

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VLRob.pptFolie 82Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beschreibung der Drehungen und der Translationen - 2

Die Koordinatentransformation von (i-1) zu (i) ist dann das Produkt der Matrizen:

ααα−α

αα−

=

ααα−α

=

ααα−α

=−

1000

dcossin0

qsinasinqcoscosqcosqsin

qcosasinqsincosqsinqcos

1000

dcossin0

0sincos0

a001

1000

0100

00qcosqsin

00qsinqcos

1000

0cossin0

0sincos0

0001

1000

d100

0010

a001

1000

0100

00qcosqsin

00qsinqcos

T

iii

iiiiiii

iiiiiii

iii

ii

i

ii

ii

ii

ii

i

i

ii

ii

i1i

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VLRob.pptFolie 83Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beschreibung der Drehungen und der Translationen - 3Anmerkungen:

• Die Koordinatentransformation hängt von vier Parametern ab: ai, αi, di, qi

• Diese Parameter werden auch „link parameter“ genannt• ai und αi sind durch die maschinenbauliche Konstruktion des (i)-ten Gliedes gegeben• qi und di sind abhängig von der Verbindung der Glieder (i-1) und (i) über das Gelenk (i)

Fallunterscheidungen: (Deutung von q i)Gelenk (i) ist eine Drehachse:

di ist konstruktiv vorgegeben und konstantqi ist eine Gelenkkoordinate, d.h. im Beispiel der Winkel zwischen den

Gliedern (i-1) und (i)Gelenk ist eine Linearachse (Translation):

di ist variabel und wird dann als qi bezeichnetDer Winkel zwischen den Gliedern ist konstruktiv festgelegt, also konstant. Er wird dann ϑi genannt.

Damit folgt die Schreibweise der vorherigen Koordinatentransformation für die Linearachse :

ααϑαϑ−αϑϑϑαϑαϑ−ϑ

=−

1000

qcossin0

sinasincoscoscossin

cosasinsincossincos

Tiii

iiiiiii

iiiiiii

i1i

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VLRob.pptFolie 84Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Verallgemeinerung der Beschreibung

Die zuvor im Beispiel aufgestellten Koordinatentransformationen für die Drehungen und die Translationen kann man auch zusammenfassen (es handelt sich dabei nur um eine andere Sichtweise!):

ααϑαϑ−αϑϑϑαϑαϑ−ϑ

=−

1000

dcossin0

sinasincoscoscossin

cosasinsincossincos

Tiii

iiiiiii

iiiiiii

i1i

Und nun setzt man als Variable qi

Für die Drehachse: ϑi = qi

Für die Linearachse: di = qi

Damit lassen sich dann alle vier möglichen beziehungsweise zulässigen Fälle betrachten:

LinearachseLinearachse

DrehachseLinearachse

LinearachseDrehachse

DrehachseDrehachse

Gelenk i+1Gelenk i

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VLRob.pptFolie 85Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Glied i Glied i+1

Glied i-1

Gelenk i-1

Gelenk i

Gelenk i+1

Ki

Ki-1ϑi

αi

ai

ai-1di

xi-1

xi

yi-1zi-1

ziyi

Der Winkel ϑi ist variabel

di, ai, αi sind konstant

Denavit–Hartenberg Parameter am Drehgelenk

ααϑαϑ−αϑϑϑαϑαϑ−ϑ

=−

1000idicosisin0

isiniaisinicosicosicosisinicosiaisinisinicosisinicos

iT1i

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VLRob.pptFolie 86Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Glied i Glied i+1

Glied i-1

Gelenk i-1

Gelenk i

Gelenk i+1

Ki

Ki-1ϑi

αi

ai

ai-1di

xi-1

xi

yi-1zi-1

ziyi

Der Abstand di ist variabel

ϑi, ai, αi sind konstant

Denavit-Hartenberg Parameter am Translationsgelenk

ααϑαϑ−αϑϑϑαϑαϑ−ϑ

=−

1000idicosisin0

isiniaisinicosicosicosisinicosiaisinisinicosisinicos

iT1i

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VLRob.pptFolie 87Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Festlegen der Koordinatensysteme - 1

Die vorherige Koordinatentransformation kann unter folgenden Voraussetzungen auf Industrieroboter angewandt werden:

Glied 0 beziehungsweise Koordinatensystem 0:

• Der Sockel (Fuß) des Industrieroboters ist Glied 0 und ist mit dem (0)-ten Koordinatensystem fest verbunden und heißt: Bezugssystem (referenceframe) oder Weltkoordinatensystem (da ist der Roboter „festgeschraubt“)

• Der Ursprung von Koordinatensystem 0 wird auf die erste Gelenkachse gelegt.

• z0 zeigt dann entlang der Gelenkachse

• x0 und y0 sind dann frei wählbar, bilden aber ein Rechtssystem

Koordinatensysteme K i mit i = 1, 2, … n-1:

• Der Ursprung von Ki liegt auf der Gelenkachse i+1

• Die Richtung von Zi geht entlang der Gelenkachse i+1; das Vorzeichen ist frei wählbar

• … siehe nächste Folie!

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VLRob.pptFolie 88Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Festlegen der Koordinatensysteme - 2Es sind drei Fälle zu unterscheiden:

• Parallele Gelenkachsen

• xi läuft kolinear zu ai und zeigt von Ki-1 nach Ki

• Sich schneidende Achsen

• xi läuft parallel zur Richtung des Kreuzproduktes zi-1 X zi; die Richtung ist frei wählbar

• ai ist der Abstand der beiden Systeme

• Windschiefe Achsen

• Die Achsen schneiden sich nicht und sind auch nicht parallel. Vorgehen wie bei parallelen Achsen. Der Fall ist bei realen Robotern eher selten!

Festlegen des letzten Koordinatensystems K n

• Möglichst TCP als Ursprung wählen (oder fiktiven TCP)

• zn geht in Richtung von zn-1 und durch TCP

• Richtung von xn:

• zn-1 und zn liegen auf einer Linie: xn wie xn-1 legen

• Sonst: xn steht senkrecht auf zn-1 und zeigt von zn-1 in Richtung zn

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VLRob.pptFolie 89Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Jede der aufzustellenden Matrizen enthält dann genau eine der Gelenkkordinaten qiDie Multiplikation aller Matrizen führt dann zu

Gesamttransformation, Position und Orientierung

n1n

32

21

10

n0 T...TTTTT −•••==

Wobei, allgemein ausgedrückt, T so aussieht:

=

1000

aaaa

aaaa

aaaa

T34333231

24232221

14131211

Für die Werkzeugspitze (Tooltip) im n-ten Koordinatensystem wird

Die Position: Die Orientierung: Die Winkel nach Vukobratovic:

=

34

24

14

Tooltip

a

a

a

X

333231

232221

131211

aaa

aaa

aaa

)xumDrehung()a,a(atan2))sinacosa(,a(atan2

)zumDrehung()a,(aatan2

3332211131

1121

=ϕψ+ψ−=ϑ

Vukobratovic, M.: "Introduction to Robotics", Springer, Berlin Heidelberg New York 1989

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VLRob.pptFolie 90Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Zusammenfassung Denavit-Hartenberg - Verfahren

Folgende Schritte sind zur Lösung des direkten Problems erforderlich:

1. Roboter skizzieren und in günstige Grundstellung ausrichten

2. Bestimmung der Koordinatensysteme nach Denavit-Hartenberg

3. Ablesen der DH-Parameter (ai, ai, di, ϑi) und eintragen in eine Tabelle

4. Bestimmung der Matrizen i-1Ti, die jeweils von den gegebenenGelenkkoordinaten abhängen

5. Berechnung von T beziehungsweise 0Tn durch Matrizenmultiplikation

6. Berechnung der externen Koordinaten (Tooltip) x, y, z (Position)

7. Berechnung der Orientierung, d.h. der Winkel

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VLRob.pptFolie 91Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Übungsbeispiel: DH für den planaren SCARA

Bestimmung der Koordinatensysteme nach DH:

P

L1 L2

Zur Erinnerung:

• Der Sockel (Festpunkt) des Roboters ist Glied 0

• In Glied 0 ist das Weltkoordinatensystem

α

β

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VLRob.pptFolie 92Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Übungsbeispiel: DH für den planaren SCARA - Glied 1

z0

y0

x0

0

1

z1

y1

x1a1 = L1

Glied 1

ϑ1 = α

Gewählt für SCARA:d1 = 0 (Fußpunkt)α1 = 0 (z0, z1 laufen parallel, keine

Achsverdrehung)

Die DH-Koordinatentransformation ist dann:

αϑϑ−ϑϑϑϑϑ−ϑ

=−

1000

dcosαsin0

sinaαsincosαcoscossin

cosaαsinsinαcossincos

Tiii

iiiiiii

iiiiiii

i1i

Einsetzen der Parameter aus der Skizze:

ααααα−α

=

1000

0100

sinL0cossin

cosL0sincos

T 1

1

10

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VLRob.pptFolie 93Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Übungsbeispiel: DH für den planaren SCARA - Glied 2

z0

y0

x0

0

1

z1

y1

x1a1 = L1

Glied 1

ϑ1 = α

Z2

y2x2

2a2 = L2

Glied 2

ϑ2 = βd2 = 0 Für SCARA gilt:d2 = 0 (Gelenke in einer Ebene)α2 = 0 (z-Achsen laufen parallel)

Einsetzen der obrigen Werte in DH:

βββββ−β

=

1000

0100

sinL0cossin

cosL0sincos

T 2

2

21

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VLRob.pptFolie 94Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Übungsbeispiel: DH für SCARA - Gesamttransformation

=

βββββ−β

ααααα−α

==

α+βα+βαβα+βα−βα+βαα+βα−βαβα−βα−βα−βα

1000

0100

sin1Lsin2Lcoscos2Lsin0coscoscossinsincoscossin

sin1Lsin2Lsincos2Lcos0cossinsincossinsincoscos1000

0100

sinL0cossin

cosL0sincos

1000

0100

sinL0cossin

cosL0sincos

TTT 2

2

1

1

21

10

20

Es gilt: ( )( )β+α=βα−βα

β+α=βα+βαcossinsincoscos

sinsincoscossin

und man kann schreiben:

α+β+αβ+αβ+αα+β+αβ+α−β+α

=

1000

0100

sinL)sin(L0)cos()sin(

cosL)cos(L0)sin()cos(

T 12

12

20

Orientierung in der Ebene Position in der Ebene

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VLRob.pptFolie 95Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Übungsbeispiel: DH für den planaren SCARA - Zahlenbei spiel

Bei einem SCARA sei:L1 = 4L2 = 3α = 30°β = 30°(Es werden glatte, dimensionslose Zahlen angenommen, um den Rechenaufwand gering zu halten!)Damit ist

=•+•=•+•−

=

1000

0100

598,45,04866,0305,0866,0

964.4866,045,030866,05,0

T20

Die allgemeine Form der Matrix ist:

1000

aaaa

aaaa

aaaa

34333231

24232221

14131211 Euler-Winkel)a,a(atan2

))sinacosa(,a(atan2

)a,(aatan2

3332

211131

1121

=ϕψ+ψ−=ϑ

°===ϕ°==+=ψ+ψ=ϑ

°====ψ

00arctan)1,0(atan2

00arctan)433,0433,0(,0(atan2))sin866,0cos5,0(,0(atan2

60732,1arctan)5,0

866,0arctan()5,0,866,0(atan2

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VLRob.pptFolie 96Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Übung: DH-Verfahren für einen einfachen Roboter

z

y

yp

P(xp, yp, zp)

zp

α

Festpunkt

Gelenk 2(Rotation)

Gelenk 1(Translation)

d3

Gelenk 3(Translation)

d1

xp

=

10001d100

2qsin3d02qcos2qsin2qcos3d02qsin2qcos

3T0

Lösung:

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VLRob.pptFolie 97Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

1

2 3

4

Z

L1 L2

T

y0x0

z0

y1

x1

z1 y2

x2

z2 y3

x3

z3

y4

x4

z4

DH-Parameter für die skizzierte Stellung

W4-T004

W300L23

W200L12

0Z001

ϑϑϑϑidiααααiaii

Übungsbeispiel: Manutec h5

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VLRob.pptFolie 98Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

2

4

1

HZ

y0x0

z0

y1

x1

z1

y2

x2z2

L1 L2

3

Wunschrichtung für Achse 3:

y3

x3z3

y4

x4z4

αααα2

DH-Parameter für die skizzierte Stellung

W400040Z003

W20180°L22W1H0L11ϑϑϑϑidiααααiaii

Übungsbeispiel: Bosch SR800

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VLRob.pptFolie 99Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

6

1

2

3

4

5Hand-achsen

Haupt-achsen

Hand:

Übungsbeispiel: Manutec r 15 - 1

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VLRob.pptFolie 100Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Übungsbeispiel: Manutec r 15 - 2

H

z0 y0x0

z4

y4

x4z1

z2

y1

x2 z3y3

x3

y2

x1 z5y5

x5z6

x6

y6

L1 L2 L3

ϑϑϑϑ3 =W3-90°

ϑϑϑϑ1

αααα1αααα3 αααα5αααα4

DH-Parameter für die skizzierte Stellung

W6L3006

W50-90°05

W4L2+90°04

W3 -90°0-90°03

W200L12

W1H-90°01

ϑϑϑϑidiααααiaii

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VLRob.pptFolie 101Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Direkte Kinematik(Hintransformation)

Inverse Kinematik(Rücktransformation)

Inverses kinematisches Problem

Fragestellung: Welche Gelenkstellungen führen den Endeffektor in eine vorgegebene Zielstellung?

• Die Berechnungen sind häufig sehr komplex� Werkzeuge wie Mathematica, Maple V, Matlab werden eingesetzt

• Die Lösungen sind häufig nicht eindeutig (vergl. SCARA-Beispiel)

• Die Rückwärtsrechnung muss schritt haltend, also in Echtzeit, mit der Bewegung des Roboters erfolgen

• Es existiert kein allgemein anwendbares Lösungsverfahren

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VLRob.pptFolie 102Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Berechnungsmöglichkeiten

• Analytische Verfahren

• Meist nur für Roboter mit einfacher Gelenkanordnung praktikabel

• Oft werden Matrizen verwendet

• Roboterspezifische, spezielle (analytische) Verfahren

• Gelenkachsen von Robotern liegen oft parallel oder rechtwinklig zueinander� Rückrechnung wird wesentlich vereinfacht und ist manchmal einfacher als das Rechnen mit Matrizen

• Numerische Verfahren

• Die Gelenkparameter werden mit Hilfe eines Näherungsverfahrens berechnet

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VLRob.pptFolie 103Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Analytisches Verfahren von Paul

Paul, R.: Robot Manipulators: Mathematics Programming and Control. MIT-Press: Cambridge (MA), 1981

Vorgehen:

1. Aufstellen der Vorwärtstransformation nach DH

2. Aufstellen der homogenen Matrix für die Zielstellung (Lage)

3. Elementweises Gleichsetzen der Matrizen von Vorwärtstransformation und Zielstellung

4. Aus den entstehenden Gleichungen intuitiv die geeigneten zur Bestimmung der Gelenkvariablen heraussuchen

Wenn die Gleichungen nicht ausreichen, kann versucht werden, zusätzliche Gleichungen aus folgenden Beziehungen zu finden:

usw

nT1n3T2

2T11T0

nT0

nT1n3T2

2T1

1T0nT0

nT1n3T2

2T11T0

nT0

−••=•

−•••=

−••••=

L

L

L

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VLRob.pptFolie 104Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beispiel: Vereinfachter SCARA mit zwei Drehgelenken

+++++++−+

=

1000

0100

qsinL)qqsin(L0)qqcos()qqsin(

qcosL)qqcos(L0)qqsin()qqcos(

T 112122121

112122121

20

( )

ψψψ−ψ

=

1000

0100

y0cossin

x0sincos

P21 q,q

Vorwärtstransformation nach DH:

Beschreibung der Zielstellung:

redundant sind 3 und 2 Gl sowie 4 und Gl1)qqsin(LqsinLy:6.Gl)qqcos(LqcosLx:5.Gl

)qqcos(cos:4.Gl)qqsin(sin:3.Gl

)qqsin(sin:2.Gl)qqcos(cos:1.Gl

2121121211

2121

2121

++=++=

+=ψ+−=ψ−

+=ψ+=ψElementweises Gleichsetzen:

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VLRob.pptFolie 105Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Fortsetzung Beispiel

( )( )

21

21

21

2121

qq

also)qqcos()qqsin(

arctan

wirdcossin

arctan

und

)qqsin(sin)qqcos(cos

Mit

+=ψ

++=ψ

ψψ=ψ

+=ψ+=ψ

( )( )

12

221

1

11

21

21

211211

qq1LcosLx

,1LsinLy

atan2q

zuführt

qcosqsin

arctanq

und

1LsinLy

qsin1LcosLx

qcos

gilt

sinLqsinLycosLqcosLx

mitund

−ψ=

ψ−ψ−=

=

ψ−=

ψ−=

ψ+=ψ+=

Bekannt sind: L1, L2, x, y und ψ

Gesucht werden:Gelenkwinkel q1 und q2

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VLRob.pptFolie 106Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Numerische Verfahren

Für das inverse kinematische Problem lässt sich nicht immer eine analytische Lösung finden� Dann kommen numerische Verfahren beziehungsweise

Näherungsverfahren zum Einsatz

Am Beispiel des einfachen SCARA mit zwei Drehgelenken soll eines der numerischen Verfahren vorgestellt werden:

Es gilt: ( )( )

( ) ( )( ) ( )21211q,q2

21211q,q1

2211

2121121211

qqsinLqsinLfqqcosLqcosLf

:schreiben man kannqundqmit

sinLsinLycosLcosLx

21

21++=++=

ϑ=ϑ=ϑ+ϑ+ϑ=ϑ+ϑ+ϑ=

Wenn man für einen Punkt die Lösung kennt, kann man für einen benachbarten Punkt die Lösung näherungsweise berechnen.

Also: ( ) ( )( ) ( )2q,1qdy0y,dx0xP:Lösunggesuchte

20q,10q0y,0xP:Lösungbekannte

→++

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VLRob.pptFolie 107Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Lösungsansatz für numerisches Verfahren

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( ) ( )

( )

sind 2dq1dq

dQ unddy

dxdP wobei

dQ2q,1qJdP

:schreiben dann kann man und2q2f

1q2f

2q1f

1q1f

J:reduziert) 2D (auf werden ertidentifiziMatrix -Jacobi

sogenannte die kann Ausdruckvorigen dem In

2dq1dq

2q2f

1q2f

2q1f

1q1f

dy

dx

:ngeschriebe Matrize als Das

20q,10q2q,1q2dq

2q2f

1dq1q2f

20q,10q2f2q,1q2f0yydy

20q,10q2q,1q2dq

2q1f

1dq1q1f

20q,10q1f2q,1q1f0xxdx

=

=

•=

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

=

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

=

=

∂∂

+∂∂

≈−=−=

=

∂∂

+∂∂

≈−=−=

Für Funktionen von mehreren Variablen gilt der Satz von Taylor:

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VLRob.pptFolie 108Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Bestimmung der Gelenkkordinaten

• Von einem Punkt (Startpunkt) P0 müssen bekannt sein:

• Die externen Koordinaten (x,y)

• Die Gelenkkoordinaten (q1, q2)

• Mittels der Jacobi-Matrix J und ihrer Inversen J-1 können dann die Gelenkkoordinaten eines Punktes P berechnet werden

• Voraussetzung:P und P0 dürfen nicht zu weit auseinander liegen, weil sonst die Näherungen nach Taylor zu ungenau werden

� Man zerlegt dann die Strecke von P0 nach P in Teilstrecken und wendet das Verfahren mehrfach an. Damit sich die einzelnen Fehler nichtaddieren, wird nach jedem Schritt eine direkte Transformation durchgeführt. Von dieser exakten Position aus wird dann weiter gerechnet.

kann werdenzerlegt enTeilstreck in und ,ist P-PdP undQ-QdQ wobei

dP)q,q(JdQ gilt

dQ)q,J(q dP mit

0

0

211-

21

==

•=

•=

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VLRob.pptFolie 109Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beispiel: Einfacher SCARA - 1

Für den einfachen SCARA mit zwei Drehgelenken sieht die Jacobi-Matrix wie folgt aus:

( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( ) ( )

t)degenerier Arm,er(gestreckt werden!0 nicht darf sinq d.h. qsinLLJ

sein 0 muss J und J, von teDeterminan als J mit JJ

1J

gilt es und

qqsinLqsinLqqcosLqcosL

qqsinLqqcosLJ

bilden rteTransponie 2.bilden Adjunkte1.

:gewinnen zu so dann ist J Inverse Die

qqcosLqqcosLqcosL

qqsinLqqsinLqsinLJ

2221D

DDTadj

D

1-

2121121211

212212Tadj

1-

21221211

21221211

=

≠•=

+−−+−−++

=

++++−+−−

=

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VLRob.pptFolie 110Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

( ) ( )( ) ( )

eren.implementi zuMatlab mit einfach Matrizen homogener mittelsSCARA einfachen den für ist

0

y

x

J

0

q

q

0

q

q

weisebeziehungs

)PP(JQQ

und

J00

0qqsinLqsinLqqcosLqcosL

0qqsinLqqcosL

J1

J

:Probleme-2D für Form homogener in ebenaufgeschri J für Gleichung obrige Die

120

10

2

1

01

0

D

2121121211

212212

D

1-

1-

∆∆

•+

=

−•+=

+−−+−−++

=

Beispiel: Einfacher SCARA - 2

Die folgende Folie zeigt die Ergebnisse einer mit Matlab durchgeführten Näherungsrechnung. Man sieht sehr gut, wie die Näherung zu Beginn etwas ungenau ist, aber zum Ende der Strecke schnell konvergiert.

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VLRob.pptFolie 111Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Mit L1 =4, L2 = 3, q1 = 10°, q2 = 30° folgt:Startposition: x = 6,2374

y = 2,6230Gewählte Zielposition: x = 4,0

y = 3,0Strecken entlang der Achsen in 10 gleiche Teilabschnitte zerlegt

2.99173.00003.99954.0000

3.00003.00004.00004.0000

2.95392.96234.22274.2237

2.91622.92464.44584.4475

2.87842.88694.66874.6712

2.8405 2.84924.89154.8949

2.80252.81155.11405.1187

2.76432.77385.33615.3424

2.72552.73615.55715.5662

2.68872.69845.78015.7899

2.63842.66075.98066.0136

2.62302.62306.23746.2374

Y-IstY-SollX-IstX-Soll

Ergebnisse einer Näherungsrechnung mit Matlab

3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.52.6

2.65

2.7

2.75

2.8

2.85

2.9

2.95

3

x-Achse

y-A

chse

Naeherungsrechnung fuer planaren SCARA

Soll

Ist

Start

Ziel

L1 = 4, L2 = 3, q10 = 10°, q20 = 30°

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VLRob.pptFolie 112Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

SingularitätenSingularitäten sind spezielle Situationen, in denen die mathematische Ermittlung der Gelenkwinkel nicht möglich ist, beispielsweise bei einer Division durch Null. Diese Situationen entsprechen besonderen Stellungen des Roboterarmes.

Singuläre Konfigurationen• Mehrere Achsen liegen in einer Linie.• Die Drehung einer Achse kann durch

die Gegendrehung einer anderen Achse kompensiert werden.

• Es existieren unendlich viele Lösungen für die Rücktransformation.

• Ein Freiheitsgrad verloren, da für eine Drehachse zwei Gelenke verwendet werden.

Singularität bei Bewegung• Ein Arm durchläuft eine Stellung, in der die

Winkelgeschwindigkeit eines oder mehrerer Gelenke unendlich werden müsste, um den TCP mit der gewünschten Bahngeschwindigkeit weiterzubewegen.

• Innere Singularitäten treten im Inneren des Arbeitsraumes auf.

• Randsingularitäten treten am Rand des Arbeitsbereiches auf.

• Ein Freiheitsgrad geht verloren.

Nicht-singuläre Stellung Innere Singularität

Gesperrte Richtung

Randsingularität

Abhilfe: Kurzzeitig beide Achsen zu einer zusammenfassen oder eine Achse „einfrieren“.

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VLRob.pptFolie 113Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Singuläre Achsstellungen eines 6-Achsen-Knickarmrob .

6

1

2

3 45

6

5

4

3

2

1

5

4

3

2

1

6

6

5

43

2

1

6

5

4

32

1

Achsen 1, 4, 6

Achsen 1, 4

Achsen 4, 6

Achsen 1, 6

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VLRob.pptFolie 114Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Bahn mit Singularität zur Erreichung eines Ziels

Hindernis, Arbeitraumbegrenzung

Start

Ziel(nicht erreichbar)

Hindernis, Arbeitraumbegrenzung

Start

Ziel

Singuläre Stellung

� Singularitäten treten im praktischen Betrieb häufig auf.

� Manche Roboter bleiben beim Auftreten einer Singularität einfach stehen.

� Oft bieten die Robotersprachen eine Lösung für die kritischen Bereiche an, z.B. werden durch einen Befehl „SingArea/Wrist“ die Handachsen von Bahn-auf PTP-Steuerung geschaltet, womit die Singularität vermieden wird.

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VLRob.pptFolie 115Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

6. Robotersteuerung

• Aufgaben

• Komponenten

• Betriebsarten

• Arten der Bewegungssteuerung

• Punkt-zu-Punkt-Steuerung (PTP)

• Überschleifen

• Vielpunktsteuerung

• Bahnsteuerung

• Bahninterpolation

• Nachführung der Orientierung

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VLRob.pptFolie 116Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Aufgaben einer Robotersteuerung

Steuerung der Verfahrbewegungen des

Roboters

Steuerung der Greiferfunktionen

Fehlererkennung und –diagnose am Roboter

und am Prozess

Steuerung von Zuführsystemen und

externen Achsen

Synchronisation der Roboterbewegungen mit

externen Ereignissen

Aufnahme und Auswertung von Sensorsignalen

Erstellung, Test und Korrektur von Programmen

Kommunikation mit dem Benutzer und mit externen

Fertigungsrechnern

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VLRob.pptFolie 117Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Struktur einer Robotersteuerung

Kommunikation

DNC undOff-line - ProgrammierungAblaufsteuerung

AnwendungsprogrammeDaten

Interpreter

Interpolator/Bewegungsst.

Lageregelung

Feininterpolator

Antriebskomponente

Sensordaten-verarbeitung

Aktions-steuerung

SensorenStell-

glieder Geber

Roboterachse Peripherie

Koordinatentransformation

Bedienen und Programmierung

Wegmeßsystem

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VLRob.pptFolie 118Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

• DNC-Betrieb (Distributed (Direct) Numerical Control):

• Laden und Speichern von Anwenderprogrammen, die an der Robotersteuerung oder mit einem Off-line – Programmiersystem erstellt wurden.

• Austausch von Zustandsdaten und Meldungen mit übergeordneten Steuerungssystemen (Zellenrechner, Leitrechner).

• Datenaustausch mit anderen Steuerungssystemen, z.B. CNC- oder Mikrocontroller.

• Bedienung:

• Eingabe von Arbeitsparametern, Programm-Start/-Stopp, Programme laden/speichern und Betriebsartenwahl (Einrichten, Test, Automatik).

• Programmierkomponente der Robotersteuerung für die Erstellung, Wartung und Verwaltung von Programmen. Die erforderlichen Werkzeuge, wie Editor, Debugger, Compiler werden bereitgestellt. Programme oder ausgewählte Stellungen des Roboters beziehungsweise Effektors können eingegeben oder getestet werden.

Kommunikation

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VLRob.pptFolie 119Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Anwendungsprogramme, Ablaufsteuerung und Interprete r

Das Anwendungsprogramm enthält Anweisungen für

• Bewegungen des Roboters

• Programmablauf (Schleifen, sequenzielle und parallele Verzweigungen)

• Ansteuerung des Effektors (z.B. Greifer)

• Sensordatenverarbeitung und –auswertung

• Arithmetik

• Aktionssteuerung (SPS-Teil)

• Auswertung von Technologiedaten

• Zusatzbaugruppen (Bandsynchronisation, Steuerung von Zusatzachsen)

Das Programm ist oft nach dem Standard IRDATA kodiert.

Ablaufsteuerung und Interpreter:

Die Ablaufsteuerung ist meist mit dem Interpreter identisch.

• Lesen und dekodieren der Anweisungen des Anwenderprogramms.

• Aufrufen der entsprechenden Ausführungsroutinen.

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VLRob.pptFolie 120Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Bewegungssteuerung bzw. Interpolator

• Ansteuerung der jeweils an der Bewegung beteiligten Handhabungseinrichtungen, beispielsweise Roboter, Förderbänder und Zusatzachsen wie Drehtische.

• Für Bewegungen zwischen zwei Zielstellungen werden anhand der programmierten Vorgaben entsprechende Zwischenstellungen berechnet (interpoliert). Interpolationsarten sind z.B. Punktsteuerung, Vielpunktsteuerung oder Bahnsteuerung.

P1

P2

P1

P2

Geplante Bewegung Interpolation

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VLRob.pptFolie 121Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Koordinatentransformation

Es erfolgt die Umrechnung von Weltkoordinaten in Roboterkoordinaten und umgekehrt.

Koordinatentransformation

P1

P2

Interpolation

P1

P2

α

β

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VLRob.pptFolie 122Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Feininterpolation

Für die einzelnen Bewegungsachsen werden spezifische Zwischenpunkte berechnet.

FeininterpolationKoordinatentransformation

P1

P2

α

β

P1

P2

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VLRob.pptFolie 123Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Lageregelung und Antriebskomponente

Lageregelung:• Sie versucht, die Motorposition auf der vom Programm gelieferten

Sollposition festzuhalten.Antriebskomponente:• Die Ist-Position wird überwacht und ausgeregelt.• Die errechneten Werte der Achswinkel oder –wege werden in Motorstrom,

Motorspannungen oder Motorinkremente umgesetzt.

Reglerkaskade für einen Servoantrieb:

Lage-Regler

Drehzahl-Regler

Strom-Regler MessungMotor

Sollwerte (Feininterpolator) Leistung

Strom ~ MomentDrehzahl (Geschwindigkeit)

Lage-Istwert

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VLRob.pptFolie 124Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Sensordatenverarbeitung und Aktionssteuerung

Sensordatenverarbeitung:

• Verarbeitung der Werte von roboterinternen und -externen Sensoren.

• Die Daten werden auf verschiedenen Ebenen der Robotersteuerung benötigt und weiterverarbeitet.

• Für kurze Reaktionszeiten werden oft die entsprechenden Sensordaten der Achsregelungsebene direkt zugeführt, z.B. für eine Kraft-Momenten-Sensorik.

Aktionssteuerung:

• Führt die Aktionsbefehle (Weg- und Schaltbedingungen) des Anwenderprogramms aus, z.B. für das Greifen und Festhalten der zu handhabenden Objekte oder die Ansteuerung von peripheren Einrichtungen.

• Verknüpft entsprechend den Aktionsbefehlen steuerungsinterne und -externe Prozesssignale, z.B. Bewegungszustand, Endlagenschalter,Lichtschranken oder Rückmeldungen anderer Steuerungen.

• Erzeugt die Ansteuersignale für binäre Stellglieder, wie Schaltschütze, Einfachantriebe oder Ventile.

Die Aktionssteuerung wird oft auch Anpasssteuerung oder SPS-Teil genannt.

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VLRob.pptFolie 125Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

EinrichtbetriebDie Einricht-Betriebsart dient zum

• Verfahren des Roboters beim Programmieren und zum • Bewegen des Roboters durch manuelle Verfahrbefehle, die z.B. nach

einer Störung zum Freifahren des Roboters erforderlich sind.

AutomatikbetriebDer Automatikbetrieb wird nur für den Einsatz des Roboters im Produktionsprozess genutzt.

• Nur wenige einfache Bedienfunktionen ausführbar, z.B. Programmwahl, Start, Stopp, Fortsetzung.

• Informationen über das laufende Programm sowie Hinweise und Fehlermeldungen werden angezeigt.

• Die Programme werden in Originalgeschwindigkeit mit allen Funktionen abgearbeitet.

Automatikbetrieb setzt voraus, dass die Schutzgitter um die Roboterzelle geschlossen sind.

TestbetriebProgramme oder Programmabschnitte werden in Einzelschritten wie im Automatikbetrieb abgefahren.Bei verschiedenen Steuerungsversionen gibt es weitere Testbetriebsarten, zum Beispiel ohne Ansteuerung der Ausgänge zur Peripherie.

Grundlegende Betriebsarten einer Robotersteuerung

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VLRob.pptFolie 126Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Vielpunktsteuerung

Arten der Bewegungssteuerung

Bahnsteuerung

• Ohne Interpolation(asynchron)

• Mit Achsinterpolation(synchron)

• Mit / ohne Überschleifen

• Linearinterpolation(manchmal auch PTP mit Linearinterpolation genannt)

• Kreisinterpolation• Splineinterpolation• Sonderinterpolationen,

z.B. Bezier, Spirale• Mit / ohne Überschleifen

Typische Anwendungen

• Punktschweißen

• Handhabung (Pick-and-Place)

• Spritzlackieren, Entgraten

• Lichtbogenschweißen,Laserschweißen

• Montieren• Laserschneiden,

Brennschneiden

• Spritzlackieren

• Beschichten

• Ausschäumen

Punkt-zu-Punkt (PTP)

• Glättung der Bahn (ähnlich Überschleifen)

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VLRob.pptFolie 127Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Punkt-zu-Punkt - Steuerung

Punkt-zu-Punkt - Steuerung (PTP, Point To Point) Abspeichern und Anfahren einer Folge diskreter Raumpunkte.

PTP mit Achsinterpolation - Alle Gelenke beginnen und beenden ihre Bewegungen gemeinsam (synchron)

PTP - Jedes Gelenk wird sofort mit maximaler Geschwindigkeit angesteuert –die Bewegungen enden unabhängig von einander (asynchron)

PTP mit Überschleifen - Glättung von Unstetigkeiten (übertrieben gezeichnet)

Ideale Bahn

P0 P1

P2

P3

P4

P5y

x

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VLRob.pptFolie 128Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

• Beim Überschleifen werden einzelne Positionen nur näherungsweise angefahren und der Roboter wird an diesen Positionen nicht abgebremst.

• Die Positionen dienen oft nur als Stützpunkte für die Bewegungsplanung oder zum Umfahren von Hindernissen.

• Mittels Überschleiffaktoren kann der Programmierer wählen, wie exakt der Roboter die Position annähern soll.

• Da der Roboter die Raumpositionen möglichst ohne Veränderung der Geschwin-digkeit durchfährt, reduziert sich der Maschinenverschleiß, der Energieverbrauch und die Ausführungszeit des Bewegungsprogramms erheblich.

• Bei aktuellen Steuerungen ist Überschleifen zwischen verschiedenen Interpolationen und Bahnen möglich.

Überschleifen

z

x

y

Überschleiffaktor(Raumkugel)

Verfahrweg

Zeitersparnis durch Überschleifen:

Quelle: Reis Robotics

10 15 20 25 t [s]

10 15 20 22,5 t [s]

Pos 2 Pos 3 Pos 4

Ges

chw

indi

gkei

t

ohne Überschleifen

mit Überschleifen

28,5

28,5 – 22,5= 21 %

28,5

Ges

chw

indi

gkei

t

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VLRob.pptFolie 129Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

VielpunktsteuerungVielpunktsteuerung (MP, Multi Point) • In einem vorgegeben Taktraster werden den einzelnen Achsen auf der

programmierten Bahn liegende Positionswerte vorgegeben.• Programmierung erfolgt häufig nach dem Play-Back-Verfahren.

• Dabei werden dem Industrieroboter die auszuführende Bewegungendurch Handführung bei abgeschalteten Antrieben vorgeführt.

• Die durchfahrenen Positionen der Achsgelenke werden gespeichert.• Vorteil: Fast keine Programmierkenntnisse erforderlich.• Nachteil: Änderung / Optimierung einzelner Bahnabschnitte schwierig.

• Typische Anwendungen sind Spritzlackieren oder Sandstrahlen.

Zeitraster bzw. Takt

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VLRob.pptFolie 130Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Geglättete Bahn

Von der Steuerung erfasste Punkte

Mit dem Effektor gefahrene Bahn

Zeitintervall

Programmieren im Play Back mit Programmierarm

Programmier-arm mit leichter Kinematik

• Industrieroboter: Teuer wegen Master-System• Teleoperation (Master/Slave-Betrieb):

• Rückmeldung von Kräften (Haptik) ist wünschenswert

• Bei großen Entfernungen zwischenMaster und Slave können Übertragungsverzögerungen auftreten

Abbildungen: Naval, M.: Roboter-Praxis. Würzburg, Vogel, 1989

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VLRob.pptFolie 131Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Bahnsteuerung (CP, Continious Path) • Es werden mathematisch definierte Bewegungsbahnen verfahren. • Der Interpolator der Bewegungssteuerung ermittelt entsprechend einer

vorgegebenen Bahnfunktion (Gerade, Kreis, Polynom) Zwischenwerte auf der programmierten Raumkurve und gibt sie an die Achsregler.

• Anwendung: Bahnschweißen, Montieren. D.h. immer da, es auf die exakte Einhaltungeines vorgeschriebenen Bewegungsauflaufes ankommt.

Bahnsteuerung

Linearinterpolation - Die Bahn zwischen zwei Punkten wird interpoliert

Linearinterpolation mit Überschleifen - Glättung von Unstetigkeiten

Kreisinterpolation mit Überschleifen

x

y

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VLRob.pptFolie 132Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

• Entlang der geometrisch beschriebenen Bahn der Werkzeugspitze werden in äquidistanten Zeitabschnitten Stützstellen gesetzt.

• Die kartesischen Koordinaten der Stützstellen werden in die zugehörigen Achsstellungswinkel umgerechnet.

• Der Bewegungsablauf zwischen zwei Stützstellen der Bahn wird dann wie bei PTP so berechnet, dass die Differenzwinkel für jede Achse gleichmäßig innerhalb des Interpolationstaktes verfahren werden.

• Bestimmend für die Genauigkeit der Bahnbewegung ist der Interpolationstakt.• Kurze Interpolationstakte sind insbesondere bei stark gekrümmten Konturen,

hohen Geschwindigkeiten und hoher Bahngenauigkeit von Vorteil. Zusätzlich wird die Mechanik des Roboters durch weiche Bewegungen entlastet.

Bahninterpolation

Bahnausschnitt mit Stützstellen bei einem Interpolationstakt von 32 ms

Bahnausschnitt mit Stützstellen bei einem Interpolationstakt von 16 ms

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VLRob.pptFolie 133Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

• Bei der Bahnsteuerung mit Linearinterpolation werden die Achsen des Roboters so gesteuert, dass die Werkzeugspitze auf einer Geraden im Raum zwischen Bahnanfangspunkt und Bahnendpunkt verfährt.

• Dabei wird sichergestellt, dass sich die Orientierung des Werkzeuges nicht ändert, sofern am Bahnanfangspunkt und Bahnendpunkt die gleiche Orientierung programmiert ist.

• Unterscheiden sich die Werkzeugorientierungen von Anfangs- und Endpunkt, so wird die Anfangsorientierung gleichmäßig über die Bahnlänge in die Endorientierung übergeführt.

Linearinterpolation mit Nachführung der Orientierun g

Linearinterpolation mit Nachführung der Werkzeugorientierung:

P1 P2

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VLRob.pptFolie 134Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Kreisinterpolation mit Nachführung der Orientierung

• Bei der Bahnsteuerung mit Kreisinterpolation wird die Bahn durch den Bahnanfangs- und Bahnendpunkt sowie einen Kreishilfspunkt definiert.

• Für Nachführung der Werkzeugorientierung können zwei Verfahren unterschieden werden:

• Zwischen den Orientierungen des Anfangs und des Endpunkts der Bahn wird gleichmäßig über die gesamte Bahnlänge interpoliert.

• Nachführung der Orientierung mit zusätzlicher Berücksichtigung der sich ändernden Orientierung der Bahntangente. � Bei gleicher Anfangs- und Endorientierung wird eine Bahnbewegung mit konstanter Orientierung des Werkzeuges zur Bahntangente bewirkt.

Kreisinterpolation mit Nachführung der Werkzeugorientierung:

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VLRob.pptFolie 135Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Splineinterpolation mit Nachführung der Orientierung

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VLRob.pptFolie 136Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Aus drucktechnischen Gründen leere Folie!

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VLRob.pptFolie 137Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

7. Programmierung von Industrierobotern

• Programmierverfahren für Industrieroboter

• Merkmale direkter und indirekter Programmierung

• On-line - Programmierung

• Off-line - Programmierung

• Koordinatensysteme für die Roboterprogrammierung

• Programmiersprachen für Industrieroboter

• IRDATA

• Beispiele für die Bewegungsprogrammierung

• Anforderungen an Roboter

• Werkzeugkorrekturen

• Zusatzachsen

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VLRob.pptFolie 138Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Programmierverfahren für Industrieroboter

Programmierverfahren für Industrieroboter

Direkte VerfahrenOn-line - Programmierung

Teach In

Play Back

Sensorgestützt

Indirekte VerfahrenOff-line - Programmierung

Textuell

CAD-gestützt

Explizit(bewegungsorientiert)

Implizit(aufgabenorientiert)

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VLRob.pptFolie 139Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Merkmale direkter und indirekter Programmierverfahr en

☺ Programmierung in der Arbeitsvorbereitung als Teil der Fertigungsplanung

☺ Unterstützung des Programmierers durch intelligente, rechnerbasierte Hilfsmittel

☺ Testen der Programme durch Simulation☺ Volle Integration in betriebliche

Informationssysteme möglich� Rechnermodell von Robotersystem und

Anlagenumgebung erforderlich� Hohe Kosten durch

Programmiersysteme und CAD-Unterstützung

� Aufwändige Einarbeitung in die oft komplexen Programmiersysteme

☺ Anschauliche Programmierung in Arbeitsumgebung

☺ Geringe Programmierkenntnisse erforderlich

☺ Kollisionen, Ungenauigkeiten, Störungen werden direkt sichtbar

☺ Arbeitsraum und Objekt müssen nicht vermessen werden

☺ Testen der Programme am realen System☺ Erfahrungsschatz der Anwender fließt in

Programmierung ein� Reales Robotersystem und Anlage

erforderlich - Fertigungsanlage steht während der Programmierung nicht zur Verfügung

� Beschränkter Zugriff auf betriebliche Informationssysteme

� Erstellung komplexer Programme schwierig

Off-line - Programmierung) (Indirekte Programmierverfahren)

On-line - Programmierung (Direkte Programmierverfahren)

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VLRob.pptFolie 140Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

On-line - ProgrammierungDirekte Verfahren• Die Erstellung der Programme erfolgt unter Verwendung des Robotersystems.• Während der Programmierung steht der Roboter nicht zur Verfügung.

Teach In – Programmierung• Mit Hilfe eines Programmierhandgerätes oder Bedienfelds werden die

gewünschten Raumpunkte manuell angefahren.• Die Bewegungsinformationen werden als Punkte durch Betätigen einer

Funktionstaste abgespeichert.• Über die Tastatur können weitere Bewegungsanweisungen, z.B.

Geschwindigkeit oder Beschleunigung, eingegeben werden. Play-Back – Verfahren (Abfahren und Speichern)• Die Programmierung erfolgt durch manuelles Führen des Roboters entlang

der gewünschten Raumkurve. • Dabei werden die Lage-Ist-Werte (Achsstellungen) in einem definierten

Zeitraster in das Programm übernommen. • Dieses Programmierverfahren kommt bei Vielpunktsteuerungen zur

Anwendung.Sensorunterstützte Programmierverfahren • Zur Ermittlung der für das Programm benötigten Raumpunkte werden

Sensoren eingesetzt.Nachteil: Programme sind i.d.R. nicht auf andere Roboter übertragbar!

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VLRob.pptFolie 141Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Off-line - ProgrammierungIndirekte Verfahren• Erstellung der Programme erfolgt auf gesonderten Rechneranlagen.

Textuelle Programmierung• Der Programmierer gibt über eine Tastatur das Programm als symbolische

Beschreibung von Operationen und Daten in Form von Zeichenfolgen ein.• Die Verfahren reichen von der maschinennahen Kodierung bis zu höheren

Roboter-Programmiersprachen.CAD-unterstützte Programmierverfahren • Nutzung geometrischer Modelle der am Produktionsprozess beteiligten

Komponenten, z.B. des Werkstücks. • Die Geometriemodellierung erfolgt unter Verwendung von CAD-Systemen.• Am Bildschirm werden Funktionen zur Verfügung gestellt, die eine Festlegung

von anzufahrenden Positionen und Verfahrwegen ermöglichen. • Simulationssysteme ermöglichen die Visualisierung der Roboterbewegungen.Explizite (bewegungsorientierte) Programmierverfahr en• Alle Bewegungen des Roboters und die Ausführungsparameter (z.B.

Geschwindigkeit, Beschleunigung) werden vom Programmierer vorgegeben. Implizite (aufgabenorientierte) Programmierverfahre n• Die Programmierung erfolgt durch Beschreibung der Handhabungsaufgabe. • Die Weginformation wird u.a. vom Programmiersystem unter Verwendung

eines Modells der Roboterzelle (Umweltmodell) selbsttätig abgeleitet.

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VLRob.pptFolie 142Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Vorgehen bei der CAD-gestützten Programmierung

IR-Einsatz planen

Fertigungszelle modellieren

IR Programmieren

IR-Anwendung Simulieren

Vorort anpassen

Vorgang 1Task 1Task 2

Vorgang 2Task 1Task 2

• grafisch-interaktives Arbeiten• geometrische Daten des Zellenaufbaus aus CAD-Systemen

werden für Programmierung und Simulation verwendetDas System setzt sich zusammen aus:• Einsatzplanung• Fertigungszellenentwurf• Roboterprogrammierung• Simulation Überprüfung: Funktionalität, Sicherheit (Kollisionen)

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VLRob.pptFolie 143Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

CAD-gestützte Programmierung

Quelle: Hesselbach/Krefft, IWF – Uni-Braunschweig

Modellierung einer Fertigungszelle mit CAD (SolidWorks)

Oberfläche einer Robotersimulation (RobotStudio, ABB)

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VLRob.pptFolie 144Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Koordinatensysteme für Roboterprogrammierung

Verfahren nach Raumkoordinaten

Verfahren nach Roboterkoordinaten

Verfahren nach Werkzeugkoordinaten

Nach: Naval, M.: Roboter-Proaxis. Würzburg: Vogel, 1989

Zylindrische Koordinaten

Kartesische Koordinaten

Verfahren in Richtung der Handgelenkachse z

Verfahren in Richtung der Handgelenkachse x

Bewegung der Achse 2 Bewegung der Achse 3

Achse 2

Achse 3

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VLRob.pptFolie 145Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Programmiersprachen für Industrieroboter (Auswahl)

Steuerungsinternes und -externes Programmiersyst. Verfahr-, Kontroll- und Makroanweisungen.

Universität Berlin

Robot ProgrammingLanguage

RPL

Steuerungsinternes Programmiersystem.Direkt interpretierbar.

UnimationVariable LanguageVAL II

NC-orientiert, geometrische Teilbeschreibung.WZL AachenRobot EXAPTROBEX

Funktionsorientierte Anweisungen.ABBRAPID

BASIC-ähnlich. Interaktive Programmierung. Starker theoretischer Einfluss der Informatik.

Universität Mailand

MultipurposeAssembly Language

MAL

Blockstrukturiert wie Pascal. Echtzeiteigenschaften wie PEARL. Hybride Programmiermöglichkeiten.

DEAHigh Level Robot Language

HELP

Funktionsorientierte Anweisungen in natürlicher Sprache.Zwischencode auf IRDATA.

Bosch und ISW Stuttgart

Bewegungs- und Ablauf- Program-miersprache

BAPS

Praxisnah mit Datendeklaration, Felder, Sensor- u. Bewegungsanw., Arithm. und Boolsche Ausdrücke.

IBMA Manipulator Language

AML

AL mit interaktiver Komponente erweitert. Zusätzl. Erweiterungen, z.B. automatische Fehlerkorrektur.

Universität Karlsruhe

Assembly LanguageAL II

Aufbauend auf WAVE. Entwicklung 1974, Informatikorientiert.

Stanford University

Assembly LanguageAL

AnmerkungenEntwicklerBedeutungName

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VLRob.pptFolie 146Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Struktur der Programmiersprachen für Industrierobot er

Die Anweisungen können unterschieden werden in:

• Kontrollanweisungen zur Steuerung des Programmablau fs• Deklarationen von Hauptprogramm und Unterprogrammen• Unterprogrammaufrufe• Sprünge und Schleifen• Programmverzögerungen und Programmabbruch

• Bewegungsanweisungen• Bewegungsbefehle, z.B. FAHRE• Interpolationsart, z.B. KREIS• Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorgaben• Zielangaben• Abbruchbedingungen

• Ein- und Ausgabeanweisungen• Für binäre Signale, z.B. Greiferansteuerung,

synchronisierende Schaltfunktionen• Für analoge Signale, z.B. für Sensorik

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VLRob.pptFolie 147Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

IRDATA

RoboterprogrammSprache Hersteller A

RoboterprogrammSprache Hersteller B

PTP P1LIN P2 C_LINLIN P3:[Z 100]$OUT[2]=1

FAHRE PTP NACH P1FAHRE LINEAR NACH P2FAHRE LINEAR NACH PVERSCHIEBE LINEAR NACH (0,0,100,0)SCHREIBE 1.0

IRDATA

MOVE,0,<0:1>,0,0;MOVE,9,<0:2>,0,0;GEN, VEC,%ST,0,R,%CON,0.0,R,%CON,0.0,R,%CON,100.0;MUL,WLD,%ST,0,0,0;DIGOUT,%CON,2,%CON,1,%CON,1;

Maschinen-Ebene

SteuerungHersteller A

SteuerungHersteller B

Simulations-system

Compiler

Anwender-Ebene

VDI 2863, Blatt 1: 1987 Programmierung numerisch gesteuerter Handhabungseinrichtungen: IRDATA, Allgemeiner Aufbau, Satztypen und Übertragung.

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VLRob.pptFolie 148Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beispiel: manutec h5 (SCARA)

Handbediengerät (HBG)

Bedienpannel

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VLRob.pptFolie 149Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

BSP

Fahre in Grundposition

Warte auf Freigabe

Fahre in Entnahmeposition

Schließe Greifer

Entnehme Teil

Fahre in Ablageposition

Öffne Greifer

Ende

Programmbeispiel: PTP mit RCM / RCS 1

DEF BSP

PTP X-14.0 Y+629.4 Z-32.7A-133.259 B+0.000 C+180.000

WRT E27 H

PTP X-14.0 Y+639.4 Z-32.7A-133.259 B+0.000 C+180.000

GRF 2 ZU

PTP X-14.0 Y+639.4 Z+52.7A-133.259 B+0.000 C+180.000

PTP X-448.6 Y+455.8 Z-53.9A-90.027 B+0.000 C+180.000

GRF 2 AUF

END BSP

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VLRob.pptFolie 150Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beispiel: Bosch SR800 (SCARA)

SteuerschrankHandbediengerät (HBG)

Off-lineProgrammierplatz

RS 60

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VLRob.pptFolie 151Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Programmerstellung mit R60 für SR800

Teach In

Punkte-Datei

IRDATA - Interpreter

Editor

Übersetzer

Quell-Programm

IRDATA -Schnittstelle

IRDATA- Code

Lauffähiges IRDATA-Programm

Ausführung

Pro

gram

mie

r-sy

stem

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VLRob.pptFolie 152Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Programmbeispiel: PTP mit SR800BEISPIEL

Fahre in Grundposition

Warte auf Freigabe

Fahre in Entnahmeposition

Schließe Greifer

Entnehme Teil

Fahre in Ablageposition

Öffne Greifer

Ende

PROGRAMM BEISPIELP1 = (100,500,50,45)P2 = (100,500,30,45)P3 = (100,520,30,45)P4 = (150,400,35,45)AUSGANG BINAER: 2 = GreiferEINGANG BINAER: 27 = Freigabe

FAHRE PTP NACH P1WARTE BIS Freigabe = 1FAHRE PTP NACH P2Greifer = 1WARTE 1FAHRE PTP UEBER P3 NACH P4Greifer = 0

HALT

ENDE

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VLRob.pptFolie 153Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Programmbeispiel: Bahninterpolation mit SR800

50

100

150

200

50 100 150 200 250 300 350 4000

PZ

P1

P2 P3

PROGRAMM BAHNIPO

P1 = (0,0,50,0)

PZ = (35,100,50,0)

P2 = (100,150,50,0)

P3 = (350,150,50,0)

FAHRE PTP NACH P1

FAHRE KREIS(PZ,P2)

FAHRE LINEAR NACH P3

HALT

ENDE

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VLRob.pptFolie 154Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beispiele für Anforderungen an Roboter

Die Leistungskriterien von Robotern und die Vorgehensweisen bei der Erfassung sind umfassend in der Europäischen Norm EN 29283 zusammengefasst.

> 20 kgBahn / Punkt± 0,2 mm1,5 m/s2...6Handhabung an Werkzeugmaschinen

> 20 kgPunkt± 1 mm1,5 m/s2...6Handhabung an Schmiedemaschinen

< 1 gPunkt± 0,001 mm1 m/s4...6Mikromontage

< 5 kgBahn / Punkt± 0,025 mm1 m/s2...6Kleinteilemontage

< 5 kgBahn /

Vielpunkt± 5 mm1,2 m/s4...7Lackieren

> 5 kgBahn /

Vielpunkt± 1 mm0,3 m/s6...7Beschichten

> 20 kgBahn± 0,2 mm0,04 m/s5...7Entgraten

> 20 kgBahn± 1 mm0,1 m/s5...7Bahnschleifen

> 5 kgBahn± 0,5 mm0,02 m/s5...7Bahnschweißen

> 20 kgPunkt± 1 mm1 m/s5Punktschweißen

Handhabungs-masse

Steuerungs-art

Genauig-keit

Geschwin-digkeit

Achs-zahl

Einsatzbereich

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VLRob.pptFolie 155Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Schutzraum definieren

Siemens RCM / Manutec:

• Fünf Schutzräume definierbar

• Schutzraumgrenzen entlang der kartesischen Koordinaten

• Schutzräume dürfen sich überlappen

� Eindringen in Schutzraum:Bremsen fallen ein, Roboter steht „sofort“

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VLRob.pptFolie 156Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Greifer oder Werkzeug als Effektor

Quelle: Naval, M.: Roboter-Praxis. Würzburg: Vogel, 1989

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VLRob.pptFolie 157Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Effektor-Wechselsystem (Fa. RSA)

Quelle: Naval, M.: Roboter-Praxis. Würzburg: Vogel, 1989

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VLRob.pptFolie 158Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Werkbild ABB, 2004

Strom –2 Phasenund Erde

Drehdurch-führung

Luftanschluss

Signale

Schleifring (beliebig drehen)

Medienschläuchevom Oberarmdes RobotersWasseranschluss –

ein Anschluss und zwei Rückläufe

ABB – Werkzeugsystem - 1

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VLRob.pptFolie 159Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

ABB – Werkzeugsystem - 2

Medien werden amRobotersockelangeschlossenMedien führen

durch denRobotersockel

Kabel und Schläuchesind eng am Roboterzum oberen Arm verlegt.

Drehdurchführung und Schleifring decken die Handgelenkdrehungund -bewegung ab.

Kabel und Schläuchefolgen geschmeidig denBewegungen vonRoboterkörper und -arm.

Werkbild ABB, 2004

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VLRob.pptFolie 160Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beispiele für Greiferkinematiken

Scherengreifer Parallelgreifer Doppelexzenter-greifer

Schwenkgreifer Zahnradgreifer Futtergreifer

Quelle: Schraft, Uni Stuttgart, Fraunhofer IPA

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VLRob.pptFolie 161Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beispiele für ausgeführte Greifer

Quelle: Schraft, Uni Stuttgart,

Fraunhofer IPA

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VLRob.pptFolie 162Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Schweißzange, Schweißwerkzeugwechsler

Anwendung: PunktschweißenHandlingsgewicht: 360 kg

Schweißwerkzeugwechsler:Für alle gängigen Zangentypen,adaptierbar an alle Robotertypen(z.B. ABB, Fanuc, KUKA, Motoman, Stäubli)

Quelle: IPR, 2004

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VLRob.pptFolie 163Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Auswahl von Greifern

Die Auswahl von Greifern erfolgt nach verschiedenen Prozessparametern:

• Zykluszeit der Anwendung, bestimmt die Frequenz mit welcher der Greifer öffnen/schließen muss

• Zur Verfügung stehender Bauraum

• Greifobjekt

++ gut geeignet+ mäßig geeignet0 bedingt geeignet- nicht geeignet

Saug-greifer

3-Backen-Greifer

Schwenk-greifer

Parallel-greifer

0++0Steingut

++++0Glas

0---Folien

0---Textilien

++-0++Kunststoffe++-0-flach/lang++-00flach/kurz++-++++Blockteil

Prisma-teile

--++0Welle/Stange++++++++Kurzzylinder++++-+Scheibe

Rund-teile

++0-0empfindlich000++porös-++++++rauh

++++++++glattOber-fläche

++-++++> 1000 mm

++0++++300 ... 1000 mm+++++++50 ... 300 mm++++++++20 ... 50 mm

Abmes-sung

++++++0> 50 kg+++++++10 ... 50 kg

++++++++0,2 ... 1 kg++++++++1 ... 10 kg

Masse

Quelle: Hesse, Stefan: Greiferanwendungen. Blue Digest on Automation, 1997

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VLRob.pptFolie 164Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Industrieroboter mit Punktschweißzange

Quelle: ABB, 2004

ABB Punktschweißpaket:

• Roboter für das Punktschweißen

• ABB Schweißsteuerung in Form einer Zusatzkarte in der Robotersteuerung.

• Zusätzliche Ausrüstung wie Punktschweißleitung, Steuertafel und Spannungsversorgung.

• Die Programmierung erfolgt über das Programmierhandgerät des Roboters:

• Prozessdaten für Schweißsteuerung.

• Daten für Bewegungssteuerung des Roboters.

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VLRob.pptFolie 165Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Werkzeugkorrektur definieren in BAPS (Bosch)

Quelle: Fa. Bosch (BAPS)

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VLRob.pptFolie 166Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Werkzeugkorrektur definieren in SRCL (Siemens RCM)

Programmbeispiel:

WKZ 0 // Werkzeugkorrektur ausgeschaltet

WZK 1 T 200.0 L 20.0 D 45.0

….

WZK 9 T 150.0 L 0.0 D 0.0

T WerkzeugträgerL WerkzeuglängeD Werkzeugwinkel

T D

L

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VLRob.pptFolie 167Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Beispiel einer Roboter-/ Zusatzachsenkonfiguration

Quelle: mz robolab GmbH, 2007

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VLRob.pptFolie 168Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Quelle: mz robolab GmbH, 2007

Beispiele für Zusatzachsen

Spiralbahn-schweißen

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VLRob.pptFolie 169Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Bandsynchronisation

Abbildung: Naval, M.: Roboter-Praxis. Würzburg, Vogel, 1989

Sensor für Band-geschwindigkeit

Steuerung mit Bandsynchronisation

Roboter

Bandbewegung

A

B

A

B

Programmierte Bahn (Teach In)

Kamera

Synch.-Punkt

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VLRob.pptFolie 170Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Bandsynchronisation

Quelle: Hesselbach /Krefft: Skript Industrieroboter, TU-Braunschweig

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VLRob.pptFolie 171Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

8. Einsatz von Industrierobotern

• Gründe für den Einsatz von Industrierobotern

• Regeln für den Robotereinsatz

• Sicherheitstechnik

• Arbeiten mit Robotern

• Roboterarbeitszelle und Sicherheitseinrichtungen

• Sicherheitsteil von Robotersteuerungen

• Anwendungsbeispiele

• Be- und Entladen von Werkzeugmaschinen

• Bearbeiten von Werkstücken

• Entpallettieren von Motorblöcken

• Handhaben von Ziegel-Rohlingen

• Verpacken von Filtern

• Roboterzelle für Laserbearbeitung

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VLRob.pptFolie 172Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Gründe für den Einsatz von Industrierobotern

Technische Gründe:

• Flexibilität,

• gleichbleibende Qualität,

• wegen Aufgabenstellung / Prozessbeherrschung erforderlich.

Wirtschaftliche Gründe:

• Produktivität (Mehrschichtbetrieb),

• Personaleinsparung.

Humanisierungsaspekte:

Entlastung der Menschen von

• gesundheitsschädlicher,

• schwerer,

• gefährlicher,

• monotoner / unangenehmer Arbeit.

(z.B. Beschickung von Pressen)

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VLRob.pptFolie 173Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Einige Regeln für den Robotereinsatz

Die Regeln gelten insbesondere für den Ersteinsatz.

• Denken Sie an die menschliche Seite des Robotereinsatzes!Sorgfältig ausgewählte und geplante Projekte scheitern oft, weil sie von den betroffenen Mitarbeitern nicht akzeptiert werden. Informieren Sie rechtzeitig alle betroffenen Mitarbeiter, Abteilungen und Vorgesetzte.

• Wählen Sie für den Roboter Aufgaben, die sonst niemand machen will (langweilig, sehr anstrengend, in unzumutbarer Umgebung). Das gilt ganz besonders für den Ersteinsatz im Unternehmen.

• Wählen Sie zuerst möglichst einfache Handhabungs- oder Bearbeitungs-aufgaben. Vertrauen Sie nicht den vielen publizierten Erfolgsstories über spektakuläre Anwendungen.

• Wählen Sie den besten Partner mit guten Referenzen für Ihr Projekt aus. Achten Sie auf kulanten Service, ein funktionierendes Ersatzteilwesen, qualitativ hochwertige Schulungen für die Mitarbeiter und gute Handbücher.

• Beschaffen Sie ein Komplettsystem und nicht alle Komponenten wie Roboter, Greifer oder Vorrichtungen aus verschiedenen, völlig unabhängigen Quellen.

• Unterschätzen Sie vermeintlich einfache Aufgaben nicht!

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VLRob.pptFolie 174Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Sicherheitstechnik

Hohe Kräfte und Geschwin-digkeiten

Menschen im Arbeits-

raum

Großer, un-erwarteter

Arbeitsraum

Kollisionen mit Werk-stücken,

Umgebung

Uner-wartetes

Loslaufen, Verhalten

Heraus-schleudernvon Werk-stücken

Roboter

•Not-Aus•Sichere Steuerung•Eigensicherheit

•Kollisionsüberwachung

•Absperrungen•Zutritts- u. Zugriffssperren

•Off-line–Programmierung und Simulation

•Schulung der Mitarbeiter

•Vorsicht, Umsicht, Sorgfalt

•Beachten der Sicherheitsvorschriften und Schutzmaßnahmen

Hersteller Betreiber Anwender

Gefahren

Schutzmaßnahmen

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VLRob.pptFolie 175Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

• Aufgrund der Komplexität der Kinematik mit sechs oder mehr Achsen ist schwer abschätzbar, wohin und wie schnell der Roboter sich bewegen wird.

• Menschen – insbesondere Programmierer - glauben oft, dass sie genau wissen was der Roboter als nächstes tun wird. Das trifft nicht zu, weil:

• Ein Defekt an einem Achsmotor kann zu völlig unerwarteten Bewegungen führen.

• Ein defekter oder vom Programm nicht korrekt ausgewerteter Sensor kann in bestimmten nicht vor gedachten Situationen ein völlig unerwartetes Verhalten des Roboters auslösen.

• Der oft lang andauernde Einrichtbetrieb mit seinen kleinen Geschwindigkeiten erzeugt bei Anwendern eine falsche Vorstellung von den späteren Geschwindigkeiten im Automatikbetrieb.

• Gewöhnung im Umgang mit Robotern verführt im Laufe der Zeit zu Leichtsinn. Anfänger werden seltener in Unfälle verwickelt, weil sie mit den Geräten weniger vertraut sind, und sie verhalten sich entsprechend vorsichtig.

• Das Einrichten eines Roboters ist stets von mindestens zwei Personen durchzuführen, von denen eine die Hand am Not-Aus-Knopf haben muss, um bei Bedarf die Anlage in kürzester Zeit abzuschalten.

Arbeiten mit Robotern

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VLRob.pptFolie 176Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Arbeitszelle und Sicherheitseinrichtungen

Nach DIN EN 775, 1992Definition der Sicherheitsanforderung beim Einsatz von Industrierobotern.

1 Roboter

2 Werkzeugaufnahmeflansch

3 Werkstück

4 Kontroll- oder Stromversorgungseinrichtung (Bedieneinheit, Hydraulikgruppe)

5 Verbundene Ausrüstung (z.B. Fördergerät, Rundschalttisch)

6 Schutzeinrichtung (Schutze oder Schutzeinrichtung mit Annäherungsreaktion)

7 Eingeschränkter Raum

8 (+7) Maximaler Raum

9 Verriegelte Tür

10 Verriegelungseinrichtung

10

9

8

7

6

6

5

4 4

4

3

35

5

3

2

1

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VLRob.pptFolie 177Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Zum Sicherheitsteil einer Robotersteuerung gehören unter anderem:

• Hard- und Softwareendschalter für alle Achsen

• Betriebsartenwahlschalter (Schlüsselschalter)

• Überwachung der Schaltsysteme für Zustimmungsschalter, Notausschalter

• Überwachung der Geschwindigkeiten im Einrichtbetrieb

• Einschaltdiagnose für alle kontaktbehafteten Schaltvorgänge, die Sicherheitsfunktionen übernehmen (z.B. Antriebe ausschalten)

• Watch-Dog-Funktionen

• Spannungs- und Temperaturüberwachung

• Fail Save - Verhalten

Sicherheitsteil von Robotersteuerungen

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VLRob.pptFolie 178Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Systemlieferant / System supplier: KUKA Automatisering + Robots N.V., B-3530 HouthalenKUKA Roboter GmbH · Blücherstr. 144 · D-86165 Augsburg · Tel. +49-8 21/7 97-0 · Fax -16 16 ·http://www.kuka-roboter.de (R13.01.029 DE (11) 07.98)

Be- und Entladen von Werkzeugmaschinen

Kleinteile für Fahrzeugbau handhaben:

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VLRob.pptFolie 179Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Bearbeiten von Werkstücken mit Robotern

Handhaben von Pneumatik-Ventilen beim Schleifen und Polieren:

Systemlieferant / System supplier: Atlantique, D-26624 SüdbrookmerlandKUKA Roboter GmbH · Blücherstr. 144 · D-86165 Augsburg · Tel. +49-8 21/7 97-0 · Fax -16 16 ·http://www.kuka-roboter.de (R13.01.019 DE (07) 07.98)

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VLRob.pptFolie 180Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Entpalettieren von Motorblöcken

Erkennung der Teile mittels Visionsystem:

Systemlieferant / System supplier: KUKA Schweissanlagen GmbH, D-86165 AugsburgKUKA Roboter GmbH · Blücherstr. 144 · D-86165 Augsburg · Tel. +49-8 21/7 97-0 · Fax -16 16 ·http://www.kuka-roboter.de (R13.01.034 DE (11) 07.98)

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Robotertechnik

Quelle: Kroth, E.: Reis GmbH & Co., 63785 Obernburg, Tel. (0 60 22) 5 03-0, Fax (0 60 22) 5 03-1 10.

Roboter mit CCD-Kamera handhabt unterschiedliche Dac hziegel-Rohlinge:

Handhaben von Ziegel-Rohlingen

Setzen der Ziegel vor dem Einlauf zumBrennofen. Mit einer CCD-Kamera wird diePosition und Drehlage der ungeordnetzugeführten Ziegel erfasst und an den

Roboter gemeldet. Es müssen etwa 20 verschiedene Ziegeltypen in zwei Farbversionen erkannt und gegriffen werden. Für die verschiedenen Grundformen der Ziegel sind entsprechende Greifer über ein Wechselsystem verfügbar.

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Robotertechnik

Verpacken von Filtern

Direkt hinter dem Reinraum legt der Verpackungsroboter die Dialyse-Filter seitlich über-lappend im Schuppenmuster in Kartons ein.

Quelle: Reis Robotics, Obernburg, 7/2000

Endverpackung von Dialyse-Filtern:Die Dialyse-Filter werden weltweit zur Blutreinigung eingesetzt. Fresenius-Konzern, Produktionsstandort St. Wendel: Einsatz von drei sechsachsigen Knickarmrobotern.

Der mit einem Multifunktions-werkzeug ausgestattete Palettierroboter handhabt leere und gefüllte Kartons, Klapp-boxen sowie Leerpaletten.

Die angetriebene Rollenbahn schiebt volle Europaletten auf den Drehtisch der Wickelstation.

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Robotertechnik

Roboterzelle für LaserbearbeitungSchneiden von 3D-Kunststoffbauteilen und Textilien mit CO 2-Laser:

Quelle: Maier, S.: Reis Robotics, Obernburg, März 2000

• 5-achsiger Knickarmroboter mit auf Achse 3 montiertem CO2-Laser.

• Der austretende Laserstrahl wird über Umlenkspiegel in die Kopfachse zur Schneidoptik geführt.

• Zusätzlich wird Prozessgas an die Wirkstelle geleitet.

• Die Programmierung erfolgt über Teach In mit Programmierhandgerät und „6D-Maus“an der Kopfachse.

• Gespeicherte Programme sind über kodierte Teileaufnahmen abrufbar.

• Bearbeitungszelle mit Einlegebereich, Roboterarbeits-bereich sowie Steuerungs- und Filterbereich.

• Teilezufuhr mittels Drehtisch oder Doppelschiebetisch.• Das Spannen der Bauteile erfolgt mittels Sauger oder pneumatische Spanneinrichtungen.

• Entstehende Schneidgase werden abgesaugt und über Filtereinrichtungen gereinigt und aufbereitet.

• Große, mit bruchfestem Glas ausgestattete Fenster ermöglichen das Beobachten des Arbeitsprozesses.

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Robotertechnik

Aus drucktechnischen Gründen leere Folie!

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Robotertechnik

9. Mobile, autonome Roboter

• Abgrenzung Industrieroboter – mobile Roboter

• Begriffe Mobilität und Autonomie in der Robotertechnik

• Steuerungsarchitekturen

•Sense-Plan-Act – Architektur

•Subsumptions - Architektur

•Architekturbeispiel Subsumption

• Experimentsystem „Rug Warrior“

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Robotertechnik

Abgrenzung, Definition

Industrieroboter

• Arbeiten in stark strukturierten und kontrollierten Umgebungen (z.B. an von Menschen geschaffenen Fabrikarbeitsplätzen).

• Stationäre Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen frei programmierbar oder sensorgeführt sind.

• Sämtliche Abläufe sind weitgehend vorhersagbar und zeigen wenig Variation.

Mobile Roboter

• Arbeiten in teilweise oder vollständig unstrukturierten und unkontrollierten Umgebungen. (z.B. Flughäfen, Bibliotheken, Krankenhäusern, Wohnungen, unter Wasser oder sogar auf dem Mars)

• Verfolgen mehr oder weniger genau vorgegebene Ziele, zeigen also Verhalten.

• Die Abläufe variieren und sind häufig nicht vorhersagbar.

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VLRob.pptFolie 187Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Mobilität und Autonomie bei Robotern

Mobile Roboter

• Arbeiten ein fest vorgegebenes Programm ab

• Verändern ihren Standort durch Lokomotion� Automatisiertes spur gebundenes Fahrzeug

(Automated Guided Vehicle – AGV)

• Arbeiten in teilweise angepassten Umgebungen

• Werden häufig mit Induktionsschleifen oder Baken geführt

• Sind unflexibel und empfindlich gegenüber Veränderungen der Umwelt (Veränderungen der Fahrrouten sind teuer)

Autonome mobile Roboter

• Bewegen sich frei in einer Umgebung umher

• Positionieren sich selbst für ihre Arbeit

• Passen sich Veränderungen der Umwelt an

• Lernen aus Erfahrungen und entwickeln ein eigenes Weltbild

• Ziehen Schlussfolgerungen und besitzenEntscheidungsfreiheit

Entwurf eines Roboters für die häusliche Pflege (Fraunhofer IPA)

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VLRob.pptFolie 188Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Steuerungsarchitektur: Sense-Plan-Act

Vorteile:• Auf der Grundlage des Weltmodells können Optimierungen erfolgen

(z.B. optimalen Weg ermitteln).• Garantien über die Qualität der Aufgabenlösung sind möglich

(z.B. Aufgabe in vorgegebener Zeit gelöst).Nachteile:• Alle Module sind miteinander verzahnt beziehungsweise voneinander abhängig.• Sequentielle Abarbeitung der Schichten und dadurch lange Reaktionszeiten.• Aufwändige, schwierige und unflexible Erstellung und Pflege des Weltmodells.• Veränderungen der Umgebung erfordern Anpassung des Weltmodells.

Wahrnehmen(Sensordaten erfassen, aufbereiten)

Modellieren(Aussagen über den Weltzustand)

Planen(Verfolgen eines Ziels)

Ausführen(Ziel in Aktionen zerlegen)

Agieren(Steuerung der Aktoren)

Sensoren

Aktoren Welt

Welt Datenfluss

Kontrollfluss

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Robotertechnik

Steuerungsarchitektur: Subsumption

Sen

sord

aten

-Ver

arbt

g.Umherfahren

Umgebung kartieren

Akt

or-A

nste

ueru

ng

Kollisionen vermeiden

Objekte identifizieren

Zum Ziel fahren

Ziel suchen

Sen

sore

n

Akt

oren

Welt Welt

Ver

halte

nsfu

sion

Prinzip:• Es werden voneinander unabhängige Verhaltenskomponenten als kurze Sensor-Aktor –

Schleifen implementiert.• Entscheidungen höherer Ordnung unterdrücken Entscheidungen niederer Ordnung

(Subsumption).Vorteile:• Es wird kein Weltmodell benötigt („die Welt ist das Modell“).• Sensordaten wirken unmittelbar und schnell auf Aktoren.• Das System kann mit mehrfachen, auch konkurrierenden Zielsetzungen umgehen.• Einfacher Entwurf und Implementierung, da jede Ebene für sich betrachtet werden kann.• Robustes Verhalten, da die Ebenen voneinander unabhängig sind.Nachteile:• Pläne und Optimierungen sind schwer implementierbar.� Mischarchitekturen

Datenfluss

Kontrollfluss

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Robotertechnik

Beispiel einer einfachen Subsumption

Bumper Flüchten

IR-Detektoren

Fotozellen

Vermeiden

Verfolgen

Umherfahren

S

S

S Motoren

� Bei Kollisionen ausweichen/flüchten� Kollisionen mit Gegenständen vermeiden� Einer Lichtquelle folgen� Umherfahren

Ein Roboter soll:

Umherfahren: Sorgt dafür, dass der Roboter immer in Bewegung bleibt.

Verfolgen: Der Roboter dreht sich aufgrund einer gemessenen Helligkeitsdifferenz in Richtung Lichtquelle.

Vermeiden: Wenn mittels Infrarot-Detektoren vorne ein Hindernis entdeckt wird, dreht sich der Roboter vom Hindernis weg.

Flüchten: Wird eine Kollision festgestellt, ermittelt der Roboter die Richtung des Hindernisses, setzt etwas zurück und dreht sich dann vom Hindernis weg.

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VLRob.pptFolie 191Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Forts. Beispiel: Verhaltenskomponente „Flüchten“

Zustandsgraph von „Flüchten“:

Timeout

Kollision links

Kollision vorne

Kollision rechts

1Warten

auf Bumper

4Rechts drehen

3Zurück-setzen

2Links

drehen

Timeout

Timeout

void escape() {while(1) {

bump_check(); /* Bumper abfragen */If (bump_left && bump_right) {

/* D.H. Kollision vorne */escape_output_flag = 1;escape_command = BACKWARD; /* Fahre rueckwaerts */sleep(0.2);/* Fahre 0,2 sec lang */escape_command = LEFT_TURN;/* Fahre jetzt nach links */sleep(0,5);/* fuer 0,5 sec links drehen*/

} else if {…

/* D.H. Kollision links */…

/* D.H. Kollision rechts */…

}

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Robotertechnik

/* Die Verhaltensfusion bzw. Subsumption */void fusion() {

while(1) {if (escape_output_flag == 1) { /* Fahrwunsch Kollis ion */

drive_command = escape_command;}else {

if (avoid_output_flag == 1) { /* Fahrwunsch Vermeiden */drive_command = avoid_command;

}else {

if (follow_output_flag == 1) { /* Fahrw. Lichtquelle */drive_command = follow_command;

}else {

drive_command = STOP; /* Kein Fahrwunsch vorh. */}

}}

}}

Forts. Beispiel: Verhaltensfusion / Subsumption

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VLRob.pptFolie 193Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Experimentsystem „Rug Warrior“Vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelter mobiler Roboter mit Programmiersystem, Mikrocontroller, Sensoren, Aktoren

• 8-Bit Mikrocontroller vom Typ 68HC11 mit 32 KByte RAM

• Host (PC) als Editor und Compiler für Interactive C (IC) – Programme

• Abarbeitung der geladenen Programme mittels Programmcode-Interpreter

(optional)

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VLRob.pptFolie 194Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

Sensoren und Aktoren des Rug WarriorFotowiderstand links

IR-Empfänger

IR-Sender links

IR-Sender Rechts

Fotowiderstand rechts

MikrofonPiezosummer

PC-Anschluss(serielle Schnittstelle)

Drei Bumper

Aktoren:• Zwei Gleichstrommotoren zum

antreiben der Räder• Einzelansteuerung der Motoren

durch Pulsweitenmodulation (PWM)

• Zweizeilige alphanumerische LC-Anzeige

• Vier Leuchtdioden für Diagnose• Piezosummer

Sensoren:• Rad-Encoder an jedem Antriebsrad• Zwei Fotowiderstände zur Messung der

Helligkeit• Zwei Infrarotsensoren an der Vorderseite

zur Hindernisdetektion• Bumper: Drei Mikroschalter zur

Kollisionserkennung• Mikrofon zur Geräuscherkennung

LC-Anzeige

Leuchtdioden

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VLRob.pptFolie 195Nur für Lehrzwecke

Robotertechnik

10. Ausblick und Trends

• Synthese neuer Kinematiken

• Sensortechnik und Sensorintegration (maschinelles Sehen)

• Regelungstechnik, neue Ansätze in Bahnverhalten und Roboterdynamik

• Bedienung, Programmierung von Robotern und neue Konzepte für die Mensch-Maschine-Schnittstelle

• Kommunikation zwischen internen und externen Systemkomponenten

• Standardisierung von Schnittstellen

• Weiterentwicklung der Sicherheitstechnik

• Technologien für neue Applikationen

• Laserbearbeitung

• Roboterassistenten (Cobots)

• Mobile autonome Roboter

• Servicerobotik

• Unterhaltungsbranche