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Teilsysteme des Roboters

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<strong>Teilsysteme</strong> (1)<br />

Mechanische Komponenten – Gelenktypen<br />

Rotationsgelenk (R)<br />

Ausgang<br />

Eingang<br />

Die Drehachse bildet einen rechten Winkel mit den Achsen der beiden<br />

angeschlossenen Glieder.<br />

Vorlesung Robotik SS 2011<br />

T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (2)<br />

Mechanische Komponenten – Gelenktypen<br />

Torsionsgelenk (T)<br />

Eingang<br />

Ausgang<br />

Die Drehachse <strong>des</strong> Torsionsgelenks verläuft parallel zu den Achsen der beiden<br />

Glieder.<br />

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T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (3)<br />

Mechanische Komponenten – Gelenktypen<br />

Revolvergelenk (V)<br />

Eingang<br />

Ausgang<br />

Das Eingangsglied verläuft parallel zur Drehachse, das Ausgangsglied steht im<br />

rechten Winkel zur Drehachse.<br />

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T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (4)<br />

Mechanische Komponenten – Gelenktypen<br />

Lineargelenk (L)<br />

auch: Translationsgelenk, Schubgelenk oder prismatisches Gelenk<br />

Eingang<br />

Ausgang<br />

Lineargelenke bewirken eine gleitende oder fortschreitende Bewegung entlang<br />

der Achse.<br />

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T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (5)<br />

Begriffserklärung<br />

Arbeitsraum:<br />

Der Arbeitsraum besteht aus denjenigen Punkten im 3-D Raum, die von der<br />

Roboterhand angefahren werden können. Hierzu sind drei Freiheitsgrade in<br />

der Bewegung, also min<strong>des</strong>tens drei Gelenke erforderlich.<br />

Grundform <strong>des</strong> Arbeitsraums:<br />

Die Grundform <strong>des</strong> Arbeitsraums ist der Arbeitsraum, der sich ergeben<br />

würde, wenn man die gegenseitige Behinderung der Armsegmente <strong>des</strong><br />

<strong>Roboters</strong> und die Begrenzung der Gelenkwinkel nicht berücksichtigt.<br />

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T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (6)<br />

Koordinatensysteme<br />

Kartesisches Koordinatensystem<br />

Z<br />

Zylinderkoordinatensystem<br />

Z<br />

X<br />

x<br />

z<br />

y<br />

Pxy (,,z)<br />

Y<br />

Z<br />

X<br />

z<br />

r<br />

α<br />

P( α , r,z)<br />

Y<br />

r<br />

P( r,αβ , )<br />

X<br />

α<br />

β<br />

Kugelkoordinatensystem<br />

Y<br />

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T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (7)<br />

Umrechnung zwischen den Koordinatensystemen<br />

Kartesische Koordinaten Zylinderkoordinaten<br />

(x,y,z) (α,r,z)<br />

2<br />

r = x +<br />

y<br />

2<br />

⎛<br />

α = tan⎜<br />

⎝<br />

z = z<br />

y ⎞<br />

⎟<br />

x ⎠<br />

Zylinderkoordinaten Kartesische Koordinaten<br />

(α,r,z) (x,y,z) x = r ⋅cos( α)<br />

y = r ⋅sin( α)<br />

z = z<br />

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T. Ihme


Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden.<br />

<strong>Teilsysteme</strong> (8)<br />

Umrechnung zwischen den Koordinatensystemen<br />

Kartesische Koordinaten Kugelkoordinaten<br />

(x,y,z) (r,α,β)<br />

2 2<br />

r = x + y +<br />

z<br />

2<br />

α =<br />

⎛<br />

arctan⎜<br />

⎝<br />

y ⎞<br />

⎟<br />

x ⎠<br />

β =<br />

⎛<br />

arctan⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

x<br />

2<br />

z<br />

+<br />

y<br />

2<br />

⎞<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

Kugelkoordinaten Kartesische Koordinaten<br />

Vorlesung Robotik SS 2011<br />

(r,α,β) (x,y,z)<br />

T. Ihme<br />

( α) ⋅ ( β)<br />

x = r ⋅cos<br />

cos<br />

( α) ⋅ ( β)<br />

( β)<br />

y = r ⋅cos<br />

sin<br />

z = r ⋅sin


<strong>Teilsysteme</strong> (9)<br />

Unterscheidung nach Grundformen <strong>des</strong> Arbeitsbereiches<br />

• Roboter mit kartesischen Koordinaten<br />

• Roboter mit Zylinderkoordinaten<br />

• SCARA-Roboter<br />

• Roboter mit Polarkoordinaten<br />

• Gelenkarm-Roboter<br />

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T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (10)<br />

Roboter mit kartesischen Koordinaten (1)<br />

Hand<br />

L<br />

L<br />

L<br />

Arbeitsraum: Quader<br />

Typ: LLL<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (11)<br />

Roboter mit kartesischen Koordinaten (2)<br />

• Portalroboter<br />

L<br />

L<br />

L<br />

Hand<br />

Arbeitsraum: Quader<br />

Typ: LLL<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (12)<br />

Roboter mit Zylinderkoordiinaten<br />

V<br />

L<br />

L<br />

Hand<br />

Arbeitsraum: Hohlzylinder<br />

Typ: LVL<br />

Andere Typen: TLL, LTL<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (13)<br />

SCARA-Roboter<br />

• Selective Compliance Assembly Robot Arm<br />

• Mechanischer Aufbau: in Z-Richtung steif, in XY-Ebene nachgiebig<br />

• Besonders geeignet für Einsatzbewegung in Z-Richtung (Montage)<br />

L<br />

R<br />

R<br />

T<br />

Hand<br />

Arbeitsraum: Hohlzylinder<br />

Typ: RRLT<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (14)<br />

Roboter mit Polarkoordinaten<br />

Hand<br />

L<br />

R<br />

T<br />

Arbeitsraum: Hohlkugel<br />

Typ: TRL<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (15)<br />

Gelenkarm-Roboter<br />

R<br />

R<br />

Hand<br />

T<br />

Arbeitsraum: Hohlkugel<br />

Typ: TRR<br />

Andere Typen: VVR<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (16)<br />

Roboterhandgelenke<br />

• Ziel: Greifen von Gegenständen<br />

• Neben räumlicher Positionierung auch Orientierung <strong>des</strong> Greifers wichtig<br />

• Einstellung der Orientierung durch Handgelenke, montiert an Unterarm<br />

• Am Ende <strong>des</strong> Handgelenkes Flansch für Endeffektor<br />

• Beispiele: Greifer, Schrauber, Schweißzange, Spritz- oder Klebepistolen,<br />

Schleifscheiben, andere Instrumente<br />

• Handgelenke einschließlich Flansch auch als Handwurzel bezeichnet<br />

• Bisher bei Roboterkonfigurationen nicht dargestellt<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (17)<br />

Zwei übliche Formen für Handgelenke<br />

Prinzipieller Aufbau einer<br />

Hand vom Typ TRR<br />

Schwenkgelenk (R)<br />

Rollgelenk (T)<br />

Gelenk zum<br />

Aufrichten (R)<br />

Prinzipieller Aufbau einer<br />

Hand vom Typ TRT<br />

Flansch<br />

Rollgelenk (T)<br />

Gelenk zum<br />

Aufrichten (R)<br />

Torsionsgelenk (T)<br />

Flansch<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (18)<br />

Beispiel Gelenkarmroboter<br />

Beispiel eines Gelenkarmroboters mit 6 rotatorischen Freiheitsgraden.<br />

(Roboter der Firma KUKA)<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (19)<br />

Beispiel Gelenkarmroboter<br />

(TVRRRT)<br />

Beispiel eines<br />

Gelenkarmroboters<br />

Typ PUMA 560<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (20)<br />

Beispiel eines Arbeitsraumes<br />

Ansicht <strong>des</strong> RX90<br />

Horizontaler Schnitt <strong>des</strong><br />

Arbeitsraumes (Draufsicht)<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (21)<br />

Antriebe<br />

• Fluidische Antriebe (Hydraulik, Pneumatik)<br />

– Lineargetriebe<br />

– Rotatorische Antriebe<br />

– Muskelartiger Antrieb<br />

• Elektrische Antriebe<br />

– Lineargetriebe (hohes Baugewicht, geringe Vorschubgeschwindigkeit)<br />

– Rotatorische Antriebe<br />

• Gleichstromservomotoren (bürstenlos, bürstenbehaftet)<br />

• Wechselstromservomotoren<br />

• Schrittmotoren<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (22)<br />

Pneumatischer Antrieb<br />

Stellenergie<br />

• Komprimierte Luft, bewegt Kolben<br />

• Kein Getriebe<br />

Vorteile<br />

• Billig<br />

• Einfacher Aufbau<br />

• Schnelle Reaktionszeit<br />

• Auch in ungünstigen Umgebungen einsetzbar<br />

Nachteile<br />

• Laut<br />

• Keine Steuerung der Geschwindigkeit bei Bewegung (nur Punkt-zu-Punkt)<br />

• Luft ist kompressibel schlechte Positioniergenauigkeit<br />

Eiinsatz<br />

• Kleinere Roboter mit schnellen Arbeitszyklen und wenig Kraft<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (23)<br />

Hydraulischer Antrieb<br />

Stellenergie<br />

• Öldruckpumpe und steuerbare Ventile<br />

Vorteile<br />

• Sehr große Kräfte<br />

• Mittlere Geschwindigkeit<br />

Nachteile<br />

• Laut<br />

• Zusätzlicher Platz für Hydraulik<br />

• Ölverlust führt zu Verunreinigung<br />

• Ölviskosität erlaubt keine guten Reaktionszeiten und keine hohen Positionierund<br />

Wiederholgenauigkeiten<br />

Einsatz<br />

• Große Roboter mit viel Kraft<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (24)<br />

Elektrischer Antrieb<br />

Stellenergie<br />

• Schritt- oder Servomotoren<br />

Vorteile<br />

• Wenig Platzbedarf<br />

• Kompakt, ruhig<br />

• Gute Regelbarkeit der Drehzahl und <strong>des</strong> Drehmoments<br />

• Hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit Abfahren von Flächen oder<br />

gekrümmten Bahnen präzise möglich<br />

Nachteile<br />

• Wenig Kraft<br />

• Keine hohen Geschwindigkeiten<br />

Einsatz<br />

• Roboter für Präzisionsarbeiten<br />

• Zunehmende Verbreitung für universellen Einsatz<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (25)<br />

Vorwärtskinematik<br />

• Gelenkkoordinaten werden vorgegeben<br />

• Alle Gelenke bewegen sich simultan von Startzustand in den Zielzustand<br />

• Bahnbewegung der Hand nicht bekannt<br />

• Bei maximaler Gelenkgeschwindigkeit nicht alle Gelenke gleichzeitig am Ziel<br />

• Deshalb interpolierte Gelenkbewegung<br />

– Regelung der Geschwindigkeit aller Gelenke durch lineare<br />

Zeitinterpolation<br />

Alle Gelenke gleichzeitig in Zielposition<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (26)<br />

Rückwärtskinematik<br />

• Effektorstellung wird angegeben, die Roboter anfahren oder durchfahren soll<br />

• Aus Raumkoordinaten müssen die Gelenkkoordinaten berechnet werden<br />

• Hohe Rechenleistung notwendig<br />

• Muss in Echtzeit durchgeführt werden<br />

• Lösungen sind in der Regel nicht eindeutig<br />

• Mögliche Bewegungen<br />

– Punkt-zu-Punkt-Bewegung<br />

• Bahn zwischen Punkten nicht bekannt<br />

– Interpolierte Bewegung<br />

• Bewegung möglichst genau auf einer Verbindungslinie von<br />

Ausgangspunkt zu Zielpunkt<br />

• Ansteuerung von vielen Zwischenpunkten auf der Bahn (z.B. im<br />

10ms-Takt)<br />

• Für jeden Zwischenpunkt eigene Rückwärtsrechnung erforderlich<br />

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T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (27)<br />

Teach-In<br />

• Benutzer steuert manuell eine Folge von Zielpunkten<br />

• Speicherung der Gelenkstellungen<br />

• Es ergibt sich eine Punkt-zu-Punkt-Bewegung<br />

• Abfahren der („geteachten“) Gelenkstellungen zur Reproduktion der Bewegung<br />

Andere Verfahren<br />

• Lernen durch Vormachen<br />

– Bewegungen erfolgen so, dass Sensorwerte reproduziert werden<br />

– Verwendung für geringe Anzahl von Wiederholungen<br />

• Visual servoing<br />

– Externe Kamera oder Hand-montierte Kamera<br />

– Steuerung der Bewegungen derart, dass vorgegebene Szenen reproduziert<br />

werden<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (28)<br />

Gelenkregelung<br />

• Roboter ist bewegtes System von Massen<br />

• Für Bewegung müssen Massen beschleunigt und abgebremst werden<br />

• Erreichen eines Zielpunktes möglichst präzise und schnell<br />

• Bei Zwischenpunkten: Roboter soll diese Punkte mit einer vorgegebenen<br />

Geschwindigkeit zu vorgegebener Zeit in vorgegebener Richtung durchfahren<br />

• Am Zielpunkt: Roboter soll stehen, d.h. Geschwindigkeit=0<br />

• Einfachster Fall:<br />

– konstante Beschleunigung bis Sollgeschwindigkeit<br />

– Konstante Verzögerung vor Ziel<br />

Rampenförmiger Geschwindigkeitsverlauf<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (29)<br />

Gelenkregelung<br />

ω<br />

Maximale Geschwindigkeit<br />

Reale Geschwindigkeit<br />

Ausgangsstellung<br />

Zielstellung<br />

t<br />

Beispiel für Geschwindigkeitsverlauf bei Gelenkbewegung<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (30)<br />

Gelenkregelung<br />

• Sollstellung und Sollgeschwindigkeit der Gelenke zu jedem Zeitpunkt bekannt<br />

– Bewegungsplanung, Interpolation, Sollwertvorgabe durch Sensorbasierte<br />

Steuerung<br />

• Iststellung der Gelenke wird durch Winkelgeber, Inkrementalgeber oder<br />

andere Sensoren erfasst<br />

• Entsprechend wird die Istgeschwindigkeit erfasst<br />

• Differenz zwischen Soll- und Iststellung geht in Regelkreis ein, durch den<br />

Bewegung geregelt wird<br />

• Entsprechend wird mit Soll- und Istgeschwindigkeit verfahren, falls<br />

Geschwindigkeit geregelt wird<br />

Vorlesung Robotik SS 2011<br />

T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (31)<br />

Gelenkregelung<br />

Ziel der Regelung<br />

• Schnelle Armbewegungen<br />

• Bewegung entlang vorgegebener Bahn ohne Abweichung, z.B.<br />

Schwingungen<br />

• Kein Überschwingen bei engen Kurven oder am Ziel<br />

• Adaption von Lasten (Nutzlasten)<br />

• Halten <strong>des</strong> Arms mit Last am Ziel<br />

• Kein Abdriften aufgrund <strong>des</strong> Lastgewichtes<br />

Ziele sind gegeneinander nicht widerspruchsfrei<br />

Kompromisse<br />

Realisierung nur mit Einschränkungen<br />

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T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (32)<br />

Gelenkregelung<br />

Realisierung eines Gelenkreglers<br />

• Es werden drei Grundverhalten bzw. Kombinationen daraus unterschieden<br />

– P – proportional<br />

– I – integral<br />

– D – differential<br />

• Rückkopplung über einen Regler<br />

• Grundlegen<strong>des</strong> Ziel: Stabilität <strong>des</strong> geschlossenen Regelkreises<br />

• Weitere Ziele: schnelles Ausregeln, geringes Überschwingen<br />

• Entsprechend <strong>des</strong> Verhaltens der Regelstrecke werden P-, PI-, PD- oder PID-<br />

Regler benutzt ( Reglerentwurf)<br />

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T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (33)<br />

Gelenkregelung<br />

Grundform eines Regelkreises<br />

x soll<br />

-<br />

Regler<br />

Regelstrecke<br />

Grundsätzliches Verhalten eines Regelkreises<br />

Position<br />

Sollposition<br />

Zeit<br />

überschwingend<br />

aperiodisch<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (34)<br />

Effektoren<br />

• An der Handwurzel angeflanschte Werkzeuge<br />

• Beispiele: Greifer, Bohrer, Schweißgerät<br />

• Steuerung der Effektoren erforderlich<br />

– Öffnen / Schließen Greifer<br />

– Ein- / Ausschalten Schweißstrom<br />

• Erfassen <strong>des</strong> Zustan<strong>des</strong> von Effektoren durch Sensoren<br />

– Offnungsweite, Schweißkraft eines Greifers<br />

• Steuerung mittels Mikrocontroller oder PCs<br />

• Befehle oder Prozeduren zur Steuerung <strong>des</strong> Effektors in<br />

Roboterprogrammiersprache<br />

• Asynchrone Meldung wichtiger Zustandsänderungen <strong>des</strong> Effektors an<br />

<strong>Roboters</strong>teuerrechner<br />

– Z.B. bei Überwachung <strong>des</strong> Festhaltens eines Werkstückes während der<br />

Roboterbewegung<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (35)<br />

Beispiel für ein<br />

Effektorwechselsystem<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (36)<br />

Sensoren<br />

Interne Sensoren<br />

• Messen Zustandsgrößen <strong>des</strong> <strong>Roboters</strong><br />

– Stellung der Gelenke<br />

– Geschwindigkeit, mit der sich Gelenke bewegen<br />

– Kräfte und Momente, die auf Gelenke einwirken<br />

Externe Sensoren<br />

• Erfassen Eigenschaften der Umwelt<br />

– Entfernungen<br />

– Lage und Positionsmarken von externen Objekten<br />

– Kontur von Objekten<br />

– Pixelbilder der Umwelt (CCD-Kamera)<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (37)<br />

Programmiersystem<br />

• Aktuelle Industrieroboter sind programmierbar<br />

• Programmierumgebung umfasst<br />

– Gesamte Hardware und Software zur Programmerstellung und<br />

–ausführung<br />

– Komplexe Applikationen entstehen durch Einbindung zusätzlicher Geräte,<br />

Sensoren, Anschluss an externe Leitrechner und Simulationssysteme<br />

• <strong>Roboters</strong>teuerung besteht aus Hardware und Software, die folgenden Zwecken dient<br />

– Entgegennahme von Roboterbefehlen und –programmen<br />

– Abarbeitung von Bewegungskommandos, z.B. Zerlegen in Bewegungsinkremente<br />

– Weiterleitung der Inkremente an Gelenkregler<br />

• Software im <strong>Roboters</strong>teuerrechner<br />

– Roboterbetriebssystem<br />

– Interpreter für Roboterbefehle<br />

– Dienstprogramme<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (38)<br />

Programmiersystem<br />

Dienstprogramme<br />

Kommandointerpreter (Shell)<br />

Editor, Übersetzer<br />

Interpreter für Roboterbefehle<br />

Roboterbetriebssystem<br />

Datei-, Speichermanagement, Ein-/Asgabe<br />

Interrupts, Prozessmanagement<br />

Rechner Regelung Ein-/Ausgabe<br />

Signale<br />

an die<br />

Gelenkantriebe<br />

Signale<br />

von den<br />

internen<br />

Sensoren<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (39)<br />

Programmiersystem<br />

Das Roboterbetriebsssystem organisiert<br />

• Den Ablauf der Programme<br />

• Zugriff auf Speicher und Dateien<br />

• Prozesskoordination<br />

• Über Ein-/Ausgabeschnittstelle<br />

– Anschluss von Peripheriegeräten, Sensoren<br />

– Anschluss von Leitrechnern<br />

– Zugang zu Rechnernetzen<br />

Vorlesung Robotik SS 2011<br />

T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (40)<br />

Programmiersystem<br />

Der Interpreter<br />

• Verantwortlich für Ausführung einzelner roboterorientierter Anweisungen<br />

• Zerlegt Bewegungen in Folge von Zwischenpositionen (Interpolation)<br />

• Interpolationstakt z.B. bei RX90 ist 16ms<br />

• Leitet Bewegungsinkremente an Regelung weiter<br />

• Bei einfachen <strong>Roboters</strong>teuerngen: Interpreter ist Bestandteil <strong>des</strong><br />

Betriebssystems<br />

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T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (41)<br />

Programmiersystem<br />

Trajektorien im Interpolationstakt<br />

• Spezifikation der Roboterbahn normalerweise auf Ebene der<br />

Roboterprogrammiersprachen<br />

• Manchmal zusätzlich die Möglichkeit, direkt oberhalb der Steuerungs- und<br />

Regelungsebene der Gelenke die Trajektorien für Endeffektor vorzugeben<br />

• Durch Angabe von (sehr vielen) nahezu jede Bahn erzwingbar<br />

• Allerdings mühsam und meist an Grenzen der Rechnerleistung und<br />

Speicherkapazität<br />

Vorlesung Robotik SS 2011<br />

T. Ihme


<strong>Teilsysteme</strong> (42)<br />

Beispiel für ein <strong>Roboters</strong>ystem<br />

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<strong>Teilsysteme</strong> (43)<br />

Beispiel für ein <strong>Roboters</strong>ystem<br />

• Im Gesamtsystem bestehen einzelne harte Echtzeitanforderungen mit<br />

Antwortzeiten im ms-Bereich (werden durch handelsübliche Rechner /PCs<br />

erfüllt)<br />

• Externe Sensoren, Aktoren bzw. Effektoren werden durch eigene<br />

Steuerrechner bedient<br />

• Steuerrechner für Aktoren, Sensoren – Einschubkarten, kleinere PCs oder<br />

Mikrocontroller an Steuerrechner angeschlossen<br />

• PC läuft mit Echtzeit-Betriebssystem (z.B. LynxOS, QNX auf Unix-Basis),<br />

übernimmt Sensorverarbeitung, Echtzeitsteuerung <strong>des</strong> <strong>Roboters</strong> und<br />

Synchronisation zwischen kooperierenden Robotern<br />

Vorlesung Robotik SS 2011<br />

T. Ihme

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