Industrieroboter (eBook)

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Weber hat bis 2019 die Fachgebiete Regelungstechnik/Robotertechnik im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Hochschule Darmstadt vertreten. Er ist Studienleiter Robotik an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt und Lehrbeauftragter an der Hochschule Darmstadt.

Dr.-Ing. Heiko Koch hat 2013 an der Technischen Universität Chemnitz auf dem Gebiet der sensorgestützten Regelung von Robotern promoviert. Seit 2018 lehrt er an der Hochschule Darmstadt im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik im Bereich der Robotik.

Inhaltsverzeichnis 7
Vorwort zur 1. Auflage 11
Vorwort zur 5. Auflage 15
1 Komponenten eines Industrieroboters 17
1.1 Definition und Einsatzgebiete von Industrierobotern 17
1.2 Mechanischer Aufbau 19
1.3 Steuerung und Programmierung 23
1.4 Struktur und Aufgaben der Regelung 25
1.5 Neuere Einsatzfelder und Konzepte der Industrierobotik 29
2 Beschreibung einer Roboterstellung 33
2.1 Grundlagen der Lagebeschreibung 33
2.1.1 Koordinatensysteme 33
2.1.2 Freie Vektoren 33
2.1.3 Operationen mit Vektoren 35
2.1.4 Ortsvektoren 37
2.1.5 Anordnung von Elementen in Vektoren und Matrizen 38
2.1.6 Rotationsmatrizen 38
2.1.7 Homogene Matrizen (Frames) 41
2.1.8 Beschreibung der Orientierung durch Euler-Winkel 43
2.1.9 Roll-Pitch-Yaw-Winkel 47
2.1.10 Beschreibung der Orientierung durch Drehvektor und Drehwinkel 48
2.1.11 Freiheitsgrad des Robotereffektors 51
2.1.12 Differenzieren von Vektoren in bewegten Koordinatensystemen 52
2.2 Die Denavit-Hartenberg-Konvention für Industrieroboter 54
2.2.1 Der Industrieroboter mit offener kinematischer Kette 54
2.2.2 Koordinatensysteme und kinematische Parameter nach der Denavit-Hartenberg-Konvention 55
2.2.3 Rotationsmatrizen und homogene Matrizen auf Basis der Denavit-Hartenberg-Parameter 61
2.3 Übungsaufgaben 63
3 Transformationen zwischen Roboter- und Weltkoordinaten 65
3.1 Die Vorwärtstransformation 66
3.2 Die Rückwärtstransformation 67
3.2.1 Mehrdeutigkeiten und Singularitäten 67
3.2.2 Lösungsvoraussetzungen und Lösungsansätze 68
3.2.3 Rückwärtstransformation an einem Zweigelenkroboter 68
3.2.4 Rückwärtstransformation an einem SCARA Roboter 70
3.2.5 Geometrische Rückwärtstransformation für den R6-Knickarmroboter 72
3.3 Kinematische Transformationen mit der Jacobi-Matrix 78
3.3.1 Die Jacobi-Matrix in der Robotik 78
3.3.2 Rückwärtstransformation auf Basis der inversen Jacobi-Matrix 82
3.3.3 Rückwärtstransformation mit der transponierten Jacobi-Matrix 83
3.4 Übungsaufgaben 84
4 Bewegungsart und Interpolation 85
4.1 Übersicht zu den Steuerungsarten 85
4.2 PTP-Bahn und Interpolationsarten 87
4.2.1 Prinzipieller Ablauf der PTP-Steuerung 87
4.2.2 Rampenprofil zur Interpolation 89
4.2.3 Sinoidenprofil zur Interpolation 91
4.2.4 Anpassung an die Interpolationsschrittweite 93
4.2.5 Synchrone PTP 95
4.2.6 Vollsynchrone PTP 96
4.2.7 Beispiel für eine PTP-Bahn 97
4.3 Bahnsteuerung (CP-Steuerung) 99
4.3.1 Prinzipieller Ablauf der Bahnsteuerung 99
4.3.2 Linearinterpolation 100
4.3.3 Zirkularinterpolation 103
4.3.4 Beispiel für eine CP-Bahn 109
4.4 Durchfahren von Zwischenstellungen ohne Stillstand der Achsen 110
4.4.1 PTP-Überschleifen 110
4.4.2 CP-Überschleifen 112
4.4.3 Spline-Interpolation für PTP-Bahn 113
4.4.4 Spline-Interpolation in kartesischen Koordinaten 116
4.5 Übungsaufgaben 120
5 Roboterprogrammierung 123
5.1 Online-Roboterprogrammierung 124
5.1.1 Teach-In-Programmierung 124
5.1.2 Play-Back-Programmierung 126
5.1.3 Master-Slave-Programmierung 127
5.2 Offline-Programmierung 128
5.2.1 Textuelle Programmierung in einer problemorientierten Programmiersprache 129
5.2.2 Grafisch interaktive/CAD-basierte Programmierung 129
5.2.3 Aufgabenorientierte Programmierung 130
5.3 Roboterprogrammiersprachen 132
5.3.1 Sprachelemente von Roboterprogrammiersprachen 133
5.3.2 Programmbeispiel 135
5.4 Programmierunterstützung durch grafische Simulation 138
5.5 Vergleich der verschiedenen Programmierarten 140
5.6 Übungsaufgaben 141
6 Modell der Dynamik 143
6.1 Modell der Dynamik einer Gelenkachse 143
6.1.1 Modell der Mechanik eines Gelenks/Armteils 143
6.1.2 Modell des Antriebsmotors und der Servoelektronik 145
6.1.3 Modell des ideal angenommenen Antriebsstrangs eines Gelenks 147
6.1.4 Gesamtmodell einer Einzelachse bei ideal angenommenem Antriebsstrang 148
6.2 Modell der Mechanik eines Roboterarms mit dem rekursiven Newton-Euler-Verfahren 149
6.2.1 Kinematische Berechnungen 150
6.2.2 Rekursive Berechnung der Gelenkkräfte bzw. -drehmomente 154
6.2.3 Anfangswerte für die rekursiven Berechnungen 156
6.2.4 Geeignete Darstellung der Vektoren und Zusammenfassung 157
6.2.5 Einfache Beispiele zum Newton-Euler-Verfahren 159
6.2.6 Explizite Berechnung einzelner Komponenten der Bewegungsgleichung 163
6.3 Gesamtmodell der Regelstrecke 168
6.3.1 Modell der Antriebsmotoren und Servoelektronik aller Gelenke 168
6.3.2 Zusammenfassung der Modellgleichungen 170
6.4 Übungsaufgaben 171
7 Regelung 175
7.1 Aufgaben und prinzipielle Strukturen 175
7.2 Dezentrale Gelenkregelung in Kaskadenstruktur 179
7.2.1 Übersicht und Regelstrecke 179
7.2.2 Geschwindigkeitsregelung mit PI-Regler 181
7.2.3 ReDuS-Geschwindigkeitsregler 184
7.2.4 Entwurf des Lagereglers 187
7.2.5 Beispiel für eine dezentrale Lageregelung 193
7.2.6 Hinweise zur Realisierung 197
7.3 Adaptive Einzelgelenkregelungen 198
7.4 Modellbasierte Regelungskonzepte 201
7.4.1 Zentrale Vorsteuerung 202
7.4.2 Entkopplung und Linearisierung 204
7.4.3 Modellbasierte Regelung mit PID-Strukturen 207
7.4.4 Robuste Regelung durch vorgegebenes Verzögerungsverhalten 209
7.4.5 Modellbasierte Lageregelung mit Kaskadenstruktur 212
7.4.6 Hinweise zur Realisierung modellbasierter Gelenkregelungen 213
7.4.7 Modellbasierte Lageregelung in kartesischen Koordinaten 214
7.4.8 Beispiel für eine modellbasierte Regelung 216
7.5 Nichtanalytische Regelungsverfahren 218
7.5.1 Fuzzy-Regelungen 218
7.5.2 Neuronale Lernverfahren in der Gelenkregelung 220
7.6 Strukturen von Kraftregelungen 223
7.7 Bildgestützte Regelung 225
7.7.1 Strukturen von Visual Servoing 226
7.7.2 Bildverarbeitung 229
7.7.3 Kameramodell 230
7.7.4 Gelenkbewegungen aus Bildinformationen 232
7.7.5 Visual Servoing mit modellbasierter Gelenkregelung 235
7.8 Externe hybride Regelungskonzepte 236
7.9 Übungsaufgaben 237
Anhang 241
A Einige Definitionen und Rechenregeln für Matrizen 241
B Aufstellen der Jacobi-Matrix 245
B1 Beschreibung der Bewegung des Effektors in Abhängigkeit von den relativen Geschwindigkeiten der Armteile 245
B2 Berechnung durch Anwendung der kinematischen Gleichungen des Newton-Euler Verfahrens 247
C Modellbildung und Simulation der statischen Reibung 249
C1 Statische Reibung bei einem Einzelgelenk 249
C2 Statische Reibung beim Roboterarm 251
D ManDy: Programmier-, Simulations- und Visualisierungswerkzeug 253
E Weitere Simulationswerkzeuge 256
E1 PTP- und CP-Interpolation für einen planaren Zweigelenkroboter 256
E2 Spline-Interpolation 257
E3 Newton-Euler-Verfahren für Zweigelenkroboter 257
E4 Simulation einer Eingelenkregelung 259
Hinweise zur Internetseite 260
Literatur 261
Formelzeichen 269
Index 273