Wolfgang Weber
Industrieroboter
Methoden der Steuerung und Regelung
Inhalt
12
1 Komponenten eines Industrieroboters
16
1.1 Definition und Einsatzgebiete von Industrierobotern
16
1.2 Mechanischer Aufbau
18
1.3 Steuerung und Programmierung
22
1.4 Struktur und Aufgaben der Regelung
24
1.5 Neuere Einsatzfelder und Konzepte der Industrierobotik
27
2 Beschreibung einer Roboterstellung
30
2.1 Grundlagen der Lagebeschreibung
30
2.1.1 Koordinatensysteme
30
2.1.2 Freie Vektoren
30
2.1.3 Operationen mit Vektoren
32
2.1.4 Ortsvektoren
34
2.1.5 Anordnung von Elementen in Vektoren und Matrizen
35
2.1.6 Rotationsmatrizen
35
2.1.7 Homogene Matrizen (Frames)
38
2.1.8 Beschreibung der Orientierung durch Euler-Winkel
40
2.1.9 Freiheitsgrad des Robotereffektors
44
2.1.10 Differenzieren von Vektoren in bewegten Koordinatensystemen
45
2.2 Die Denavit-Hartenberg-Konvention für Industrieroboter
47
2.2.1 Der Industrieroboter mit offener kinematischer Kette
47
2.2.2 Koordinatensysteme und kinematische Parameter nach der Denavit-Hartenberg-Konvention
48
2.2.3 Rotationsmatrizen und homogene Matrizen auf Basis der Denavit-Hartenberg-Parameter
53
2.3 Übungsaufgaben
56
3 Transformationen zwischen Roboter- und Weltkoordinaten
58
3.1 Die Vorwärtstransformation
59
3.2 Die Rückwärtstransformation
59
3.2.1 Mehrdeutigkeiten und Singularitäten
59
3.2.2 Lösungsvoraussetzungen und Lösungsansätze
60
3.2.3 Rückwärtstransformation an einem Zweigelenkroboter
61
3.2.4 Geometrische Rückwärtstransformation für den R6-Knickarmroboter
64
3.3 Kinematische Transformationen mit der Jacobi-Matrix
70
3.4 Übungsaufgaben
71
4 Bewegungsart und Interpolation
72
4.1 Übersicht zu den Steuerungsarten
72
4.2 PTP-Bahn und Interpolationsarten
74
4.2.1 Prinzipieller Ablauf der PTP-Steuerung
74
4.2.2 Rampenprofil zur Interpolation
76
4.2.3 Sinoidenprofil zur Interpolation
78
4.2.4 Anpassung an die Interpolationsschrittweite
80
4.2.5 Synchrone PTP
82
4.2.6 Vollsynchrone PTP
83
4.2.7 Beispiel für eine PTP-Bahn
84
4.3 Bahnsteuerung (CP-Steuerung)
86
4.3.1 Prinzipieller Ablauf der Bahnsteuerung
86
4.3.2 Linearinterpolation
87
4.3.3 Zirkularinterpolation
89
4.3.4 Beispiel für eine CP-Bahn
96
4.4 Durchfahren von Zwischenstellungen ohne Stillstand der Achsen
97
4.4.1 PTP-Überschleifen
98
4.4.2 CP-Überschleifen
99
4.4.3 Spline-Interpolation für PTP-Bahn
100
4.4.4 Spline-Interpolation in kartesischen Koordinaten
102
4.5 Übungsaufgaben
104
5 Roboterprogrammierung
107
5.1 Online-Roboterprogrammierung
108
5.1.1 Teach-In-Programmierung
108
5.1.2 Play-Back-Programmierung
110
5.1.3 Master-Slave-Programmierung
111
5.2 Offline-Programmierung
112
5.2.1 Textuelle Programmierung in einer problemorientierten Programmiersprache
113
5.2.2 Grafisch interaktive/CAD-basierte Programmierung
113
5.2.3 Aufgabenorientierte Programmierung
114
5.3 Roboterprogrammiersprachen
116
5.3.1 Sprachelemente von Roboterprogrammiersprachen
117
5.3.2 Programmbeispiel
119
5.4 Programmierunterstützung durch grafische Simulation
121
5.5 Vergleich der verschiedenen Programmierarten
123
5.6 Übungsaufgaben
124
6 Modell der Dynamik
125
6.1 Modell der Dynamik einer Gelenkachse
125
6.1.1 Modell der Mechanik eines Gelenks/Armteils
125
6.1.2 Modell des Antriebsmotors und der Servoelektronik
127
6.1.3 Modell des ideal angenommenen Antriebsstrangs eines Gelenks
129
6.1.4 Gesamtmodell des ideal angenommenen Antriebsstrangs eines Gelenks
130
6.2 Modell der Mechanik eines Roboterarms mit dem rekursiven Newton-Euler-Verfahren
131
6.2.1 Kinematische Berechnungen
133
6.2.2 Rekursive Berechnung der Gelenkkräfte bzw. -drehmomente
136
6.2.3 Anfangswerte für die rekursiven Berechnungen
138
6.2.4 Geeignete Darstellung der Vektoren und Zusammenfassung
139
6.2.5 Einfache Beispiele zum Newton-Euler-Verfahren
140
6.2.6 Explizite Berechnung einzelner Komponenten der Bewegungsgleichung
145
6.3 Gesamtmodell der Regelstrecke
149
6.3.1 Modell der Antriebsmotoren und Servoelektronik aller Gelenke
150
6.3.2 Zusammenfassung der Modellgleichungen
152
6.4 Übungsaufgaben
153
7 Regelung
156
7.1 Aufgaben und prinzipielle Strukturen
156
7.2 Dezentrale Gelenkregelung in Kaskadenstruktur
160
7.2.1 Übersicht und Regelstrecke
160
7.2.2 Geschwindigkeitsregelung mit PI-Regler
162
7.2.3 ReDuS-Geschwindigkeitsregler
165
7.2.4 Entwurf des Lagereglers
168
7.2.5 Beispiel für eine dezentrale Lageregelung
174
7.2.6 Hinweise zur Realisierung
178
7.3 Adaptive Einzelgelenkregelungen
180
7.4 Modellbasierte Regelungskonzepte
183
7.4.1 Zentrale Vorsteuerung
183
7.4.2 Entkopplung und Linearisierung
185
7.4.3 Modellbasierte Regelung mit PID-Strukturen
188
7.4.4 Robuste Regelung durch vorgegebenes Verzögerungsverhalten
190
7.4.5 Modellbasierte Lageregelung mit Kaskadenstruktur
193
7.4.6 Hinweise zur Realisierung modellbasierter Gelenkregelungen
195
7.4.7 Modellbasierte Lageregelung in kartesischen Koordinaten
196
7.4.8 Beispiel für eine modellbasierte Regelung
198
7.5 Nichtanalytische Regelungsverfahren
200
7.5.1 Fuzzy-Regelungen
200
7.5.2 Neuronale Lernverfahren in der Gelenkregelung
202
7.6 Strukturen von Kraftregelungen
205
7.7 Übungsaufgaben
207
Anhang
209
A Einige Definitionen und Rechenregeln für Matrizen
209
B Aufstellen der Jacobi-Matrix
213
B1 Beschreibung der Bewegung des Effektors in Abhängigkeit von den relativen Geschwindigkeiten der Armteile
213
B2 Berechnung durch Anwendung der kinematischen Gleichungen des Newton-Euler Verfahrens
215
C Modellbildung und Simulation der statischen Reibung
217
C1 Statische Reibung bei einem Einzelgelenk
217
C2 Statische Reibung beim Roboterarm
219
D ManDy: Programmier- Simulations- und Visualisierungswerkzeug
221
E Weitere Simulationswerkzeuge
224
E1 PTP- und CP-Interpolation für einen planaren Zweigelenkroboter
224
E2 Spline-Interpolation mit zwei Bahnsegmenten
224
E3 Newton-Euler-Verfahren für Zweigelenkroboter
225
E4 Simulation einer Eingelenkregelung
227
Literatur
228
Formelzeichen
236
Index
240
Hinweise zur Internetseite
243
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