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Beispiele mechatronischer Systeme

xlii 9

xlii 9 Beispiele mechatronischer Systeme Es wird das in Bild 9.39 dargestellte Bewegungsprofil zum Transport von Stückgut zwischen verschiedenen Fördersystemen aus drei PLCopen Funktionsbausteinen erzeugt. Der erste Baustein beauftragt das Abheben von der Startposition (A → B). Der Zweite bewegt den Greifer zum Ziel (B → C ) und der Dritte setzt das transportierte Objekt ab (C → D). 1 B A 2 C 3 D Bild 9.39 Drei lineare Bewegungssegmente mit verschliffenen Ecken bilden eine typische Bewegung für Pick&Place- Applikationen. Der verwendete Baustein MC_MoveLinearAbsolute erzeugt eine geradlinige Bewegung des Endeffektors im kartesischen Arbeitsraum eines Roboters. Er besitzt Eingänge, die zur Beauftragung und Parametrierung der Bewegung verwendet werden, sowie Ausgänge, die den aktuellen Status wiedergeben. Die Bausteine sind über diese Ein- und Ausgänge so verknüpft, dass sie aktiviert werden (Execute), sobald der jeweils vorhergehende in der Auführung (Busy) ist. Auf diese Weise starten die Funktionsbausteine jeweils zum richtigen Zeitpunkt. Der Übergang zwischen den einzelnen Bewegungssegmenten wird über den Eingang BufferMode definiert. Außerdem erhält jeder Baustein verschiedene Parameter, die unter anderem die Zielkoordinaten, die gewünschte Bahngeschwindigkeit oder, wie hier dargestellt, eine geometrische Verrundung (Verschliff) definieren. Werden die Verschliffsegmente so bestimmt, dass die geometrischen Übergänge zwischen den einzelnen Bewegungssegmenten C 2 -stetig, also stetig bis zur zweiten Ableitung sind, muss die Bewegung an diesem Übergängen nicht gestoppt werden. Die mathematische Umsetzung, beispielsweise durch ein Polynom fünfter Ordnung, ist dabei im Funktionsbaustein enthalten. Bei der Programmierung muss lediglich ein Parameter angegeben werden, der den möglichen Verschliffradius um die parametrierten Zielkoordinaten begrenzt. 9.4.7 Fazit Es gibt eine Reihe von Standards in der Automatisierungstechnik, die es ermöglichen, komplexe Roboterkinematiken in kurzer Zeit in Betrieb zunehmen. Dabei kommen vorgefertigte Technologiemodule zum Einsatz, um den Implementierungsaufwand zu minimieren. Ein Beispiel für einen solchen Softwarestandard ist die von führenden Steuerungsherstellern geschaffene PLCopen Spezifikation. Mit einer nach diesem Standard erstellten Softwarebibliothek ist es möglich, Bewegungsprofile für komplexe Roboterkinematiken mit wenigen Funktionsaufrufen zu programmieren. Ebenso ist die Berechnung der Kinematik und Kinetik hinterlegt. Da die einzelnen Funktionsmodule durch standardisierte Schnittstellen miteinander verbunden werden, kann eigener Quellcode mit fertigen Technologiemodulen kombiniert werden oder diese sogar ersetzen. Somit obliegt es dem Programmierer, ob er fertige Module verwendet, oder die vollständige Applikation selbst implementiert. Die Verwendung von Standards ist längst auch in der Software etabliert und für eine effiziente

9.5 Visual Servoing zur mechanischen Unkrautregulierung mit einem Feldroboter xliii Entwicklung unumgänglich. Der Aufbau einer neuen Anlage ist ohne die Verwendung standardisierter Softwaremodule nicht rentabel. 9.5 Visual Servoing zur mechanischen Unkrautregulierung mit einem Feldroboter M. Eng. (FH) A. Michaels und Prof. Dr.-Ing. A. Albert, DEEPFIELD Robotics, Robert Bosch Start-Up GmbH Der folgende Beitrag befasst sich mit der mechanischen Unkrautregulierung mit Hilfe eines Feldroboters. Der Fokus liegt dabei auf einer Kamera-basierten Führung eines Werkzeugs, die man in diesem Zusammenhang Visual Servoing nennt [Cor11]. In der industriellen Automatisierung mit ihren angepassten Umgebungsbedingungen ist Visual Servoing bereits häufiger im Einsatz. Mit der Entwicklung des Marktes für Serviceroboter wird diese Technologie, nicht zuletzt begünstigt durch die stetige Entwicklung der Rechner- und Kameratechnik, zunehmend an Bedeutung gewinnen. Es findet hier eine Einführung in diese Technologie statt. Ferner werden weitere Aspekte beleuchtet, um Visual Servoing auch unter unstrukturierten, rauen Umgebungsbedingungen durchführen zu können. Motivation: Der Einsatz von Feldrobotern liefert zukünftig einen Beitrag zu einer nachhaltigen Landwirtschaft mit einem gezielten und schonenden Einsatz von Ressourcen (z. B. hinsichtlich der Verwendung von Pflanzenschutzmitteln oder Dünger) [Bla07, BDLC09]. Die konkrete Anwendung in diesem Beispiel ist der biologische Anbau von Möhren. Da bei diesem der Einsatz von Herbiziden verboten ist, erfolgt die Unkrautregulierung heute überwiegend per Handarbeit. Der Arbeitsaufwand beträgt dabei 100 bis 300 h/ha. Der Zeitraum der Unkrautregulierung konzentriert sich auf die frühe Wachstumsphase der Pflanze und ist somit stark begrenzt. Daher sind die Landwirte häufig mit dem Problem konfrontiert, ausreichend Personal für diese kurze, aber arbeitintensive Phase zu finden. Eine mögliche Lösung des Problems ist die Automatisierung der Unkrautregulierung durch den Einsatz von Feldrobotern [AB02, MSLD13]. Die unstrukturierte Umgebung sowie die Genauigkeits- und Geschwindigkeitsanforderungen stellen dabei hohe Anforderungen, sowohl an die Navigation des Feldroboters als auch auch an die (mobile) Manipulation zur Unkrautregulierung. Lösungskonzept: Im Rahmen öffentlich geförderter Projekte entstand der Feldroboter BoniRob ® [RBD + 09, WB10, MAHG13], der im Hinblick auf die Unkrautregulierung mit einem parallel-kinematischen Manipulator („Delta-Roboter“) ausgestattet wurde (vgl. Bild 9.40 rechts und das ausführliche Beispiel in Abschnitt 9.4). In der in Kapitel 6 eingeführten Nomenklatur stellt ein solcher Manipulator eine geschlossene kinematische Kette dar. Den Endeffektor bildet ein Werkzeug zur mechanischen Unkrautregulierung mit einer Kamera (K_VS). Die Anordnung der Kamera am Endeffektor zur Führung des Werkzeugs nennt man beim Visual Servoing eye-in-hand system. Für die zuvor benötigte Unkrauterkennung ist eine weitere Kamera (K_PK) fest am Feldroboter montiert, die einerseits Nutzpflanzen von Unkräutern

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