Industrieroboter

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur 1. Auflage

Vorwort zur 5. Auflage

1 Komponenten eines Industrieroboters

1.1 Definition und Einsatzgebiete von Industrierobotern

1.2 Mechanischer Aufbau

1.3 Steuerung und Programmierung

1.4 Struktur und Aufgaben der Regelung

1.5 Neuere Einsatzfelder und Konzepte der Industrierobotik

2 Beschreibung einer Roboterstellung

2.1 Grundlagen der Lagebeschreibung

2.1.1 Koordinatensysteme

2.1.2 Freie Vektoren

2.1.3 Operationen mit Vektoren

2.1.4 Ortsvektoren

2.1.5 Anordnung von Elementen in Vektoren und Matrizen

2.1.6 Rotationsmatrizen

2.1.7 Homogene Matrizen (Frames)

2.1.8 Beschreibung der Orientierung durch Euler-Winkel

2.1.9 Roll-Pitch-Yaw-Winkel

2.1.10 Beschreibung der Orientierung durch Drehvektor und Drehwinkel

2.1.11 Freiheitsgrad des Robotereffektors

2.1.12 Differenzieren von Vektoren in bewegten Koordinatensystemen

2.2 Die Denavit-Hartenberg-Konvention für Industrieroboter

2.2.1 Der Industrieroboter mit offener kinematischer Kette

2.2.2 Koordinatensysteme und kinematische Parameter nach der Denavit-Hartenberg-Konvention

2.2.3 Rotationsmatrizen und homogene Matrizen auf Basis der Denavit-Hartenberg-Parameter

2.3 Übungsaufgaben

3 Transformationen zwischen Roboter- und Weltkoordinaten

3.1 Die Vorwärtstransformation

3.2 Die Rückwärtstransformation

3.2.1 Mehrdeutigkeiten und Singularitäten

3.2.2 Lösungsvoraussetzungen und Lösungsansätze

3.2.3 Rückwärtstransformation an einem Zweigelenkroboter

3.2.4 Rückwärtstransformation an einem SCARA Roboter

3.2.5 Geometrische Rückwärtstransformation für den R6-Knickarmroboter

3.3 Kinematische Transformationen mit der Jacobi-Matrix

3.3.1 Die Jacobi-Matrix in der Robotik

3.3.2 Rückwärtstransformation auf Basis der inversen Jacobi-Matrix

3.3.3 Rückwärtstransformation mit der transponierten Jacobi-Matrix

3.4 Übungsaufgaben

4 Bewegungsart und Interpolation

4.1 Übersicht zu den Steuerungsarten

4.2 PTP-Bahn und Interpolationsarten

4.2.1 Prinzipieller Ablauf der PTP-Steuerung

4.2.2 Rampenprofil zur Interpolation

4.2.3 Sinoidenprofil zur Interpolation

4.2.4 Anpassung an die Interpolationsschrittweite

4.2.5 Synchrone PTP

4.2.6 Vollsynchrone PTP

4.2.7 Beispiel für eine PTP-Bahn

4.3 Bahnsteuerung (CP-Steuerung)

4.3.1 Prinzipieller Ablauf der Bahnsteuerung

4.3.2 Linearinterpolation

4.3.3 Zirkularinterpolation

4.3.4 Beispiel für eine CP-Bahn

4.4 Durchfahren von Zwischenstellungen ohne Stillstand der Achsen

4.4.1 PTP-Überschleifen

4.4.2 CP-Überschleifen

4.4.3 Spline-Interpolation für PTP-Bahn

4.4.4 Spline-Interpolation in kartesischen Koordinaten

4.5 Übungsaufgaben

5 Roboterprogrammierung

5.1 Online-Roboterprogrammierung

5.1.1 Teach-In-Programmierung

5.1.2 Play-Back-Programmierung

5.1.3 Master-Slave-Programmierung

5.2 Offline-Programmierung

5.2.1 Textuelle Programmierung in einer problemorientierten Programmiersprache

5.2.2 Grafisch interaktive/CAD-basierte Programmierung

5.2.3 Aufgabenorientierte Programmierung

5.3 Roboterprogrammiersprachen

5.3.1 Sprachelemente von Roboterprogrammiersprachen

5.3.2 Programmbeispiel

5.4 Programmierunterstützung durch grafische Simulation

5.5 Vergleich der verschiedenen Programmierarten

5.6 Übungsaufgaben

6 Modell der Dynamik

6.1 Modell der Dynamik einer Gelenkachse

6.1.1 Modell der Mechanik eines Gelenks/Armteils

6.1.2 Modell des Antriebsmotors und der Servoelektronik

6.1.3 Modell des ideal angenommenen Antriebsstrangs eines Gelenks

6.1.4 Gesamtmodell einer Einzelachse bei ideal angenommenem Antriebsstrang

6.2 Modell der Mechanik eines Roboterarms mit dem rekursiven Newton-Euler-Verfahren

6.2.1 Kinematische Berechnungen

6.2.2 Rekursive Berechnung der Gelenkkräfte bzw. -drehmomente

6.2.3 Anfangswerte für die rekursiven Berechnungen

6.2.4 Geeignete Darstellung der Vektoren und Zusammenfassung

6.2.5 Einfache Beispiele zum Newton-Euler-Verfahren

6.2.6 Explizite Berechnung einzelner Komponenten der Bewegungsgleichung

6.3 Gesamtmodell der Regelstrecke

6.3.1 Modell der Antriebsmotoren und Servoelektronik aller Gelenke

6.3.2 Zusammenfassung der Modellgleichungen

6.4 Übungsaufgaben

7 Regelung

7.1 Aufgaben und prinzipielle Strukturen

7.2 Dezentrale Gelenkregelung in Kaskadenstruktur

7.2.1 Übersicht und Regelstrecke

7.2.2 Geschwindigkeitsregelung mit PI-Regler

7.2.3 ReDuS-Geschwindigkeitsregler

7.2.4 Entwurf des Lagereglers

7.2.5 Beispiel für eine dezentrale Lageregelung

7.2.6 Hinweise zur Realisierung

7.3 Adaptive Einzelgelenkregelungen

7.4 Modellbasierte Regelungskonzepte

7.4.1 Zentrale Vorsteuerung

7.4.2 Entkopplung und Linearisierung

7.4.3 Modellbasierte Regelung mit PID-Strukturen

7.4.4 Robuste Regelung durch vorgegebenes Verzögerungsverhalten

7.4.5 Modellbasierte Lageregelung mit Kaskadenstruktur

7.4.6 Hinweise zur Realisierung modellbasierter Gelenkregelungen

7.4.7 Modellbasierte Lageregelung in kartesischen Koordinaten

7.4.8 Beispiel für eine modellbasierte Regelung

7.5 Nichtanalytische Regelungsverfahren

7.5.1 Fuzzy-Regelungen

7.5.2 Neuronale Lernverfahren in der Gelenkregelung

7.6 Strukturen von Kraftregelungen

7.7 Bildgestützte Regelung

7.7.1 Strukturen von Visual Servoing

7.7.2 Bildverarbeitung

7.7.3 Kameramodell

7.7.4 Gelenkbewegungen aus Bildinformationen

7.7.5 Visual Servoing mit modellbasierter Gelenkregelung

7.8 Externe hybride Regelungskonzepte

7.9 Übungsaufgaben

Anhang

A Einige Definitionen und Rechenregeln für Matrizen

B Aufstellen der Jacobi-Matrix

B1 Beschreibung der Bewegung des Effektors in Abhängigkeit von den relativen Geschwindigkeiten der Armteile

B2 Berechnung durch Anwendung der kinematischen Gleichungen des Newton-Euler Verfahrens

C Modellbildung und Simulation der statischen Reibung

C1 Statische Reibung bei einem Einzelgelenk

C2 Statische Reibung beim Roboterarm

D ManDy: Programmier-, Simulations- und Visualisierungswerkzeug

E Weitere Simulationswerkzeuge

E1 PTP- und CP-Interpolation für einen planaren Zweigelenkroboter

E2 Spline-Interpolation

E3 Newton-Euler-Verfahren für Zweigelenkroboter

E4 Simulation einer Eingelenkregelung

Hinweise zur Internetseite

Literatur

Formelzeichen

Index