Grundlagen der Robotik – Zusammenfassung
Diese Übersicht fasst zentrale Aspekte der Robotik zusammen, basierend auf den analysierten PDF-Dokumenten. Sie behandelt Themen rund um die Steuerung, Programmierung und den Betrieb von Robotern sowie neuere Entwicklungen wie autonome Systeme und Mensch-Roboter-Kooperation.
1. Grundlagen der Gelenkansteuerung (Dynamische Modellierung)
- Dynamische Modellierung ist notwendig für die präzise Ansteuerung von Robotergelenken.
- Berücksichtigte Elemente:
- Aktuator (z. B. Gleichstrommotor mit Getriebe)
- Robotermodell
- Reibung
- Gleichstrommotor mit Getriebe: Modelliert das elektrische und mechanische Verhalten.
- Trägheitsmoment: Ändert sich bei Bewegung mehrerer Achsen. Wird oft vereinfacht behandelt.
- Reibung (gemäß der Stribeck-Kurve):
- Haftreibung (Mh) – bei Stillstand
- Coulombsche Reibung (Mc) – abhängig vom Vorzeichen der Geschwindigkeit
- Viskose Reibung (Mv) – proportional zur Geschwindigkeit
- Negative Reibung – kurzzeitiger Reibungsabfall bei Bewegungsbeginn
- Instabilitäten durch Haft- und negative Reibung sind mögliche Probleme.
- Notwendig für den Entwurf geeigneter Regelungsalgorithmen.
2. Interaktion mit der Umwelt (Endeffektoren)
- Roboter verwenden Endeffektoren (z. B. Greifer, Werkzeuge) zur Interaktion.
- Beispiele:
- Zweibackengreifer (Pick-and-Place)
- Schweißzangen, Messmittel, Sprühpistolen
- Mehrfingergreifer – hohe Flexibilität, vergleichbar mit menschlicher Hand
- Vorteile von Mehrfingergreifern:
- Sensorüberwachte Objektmanipulation
- Einsatz bei Montage und Prothesen
- Feinbewegungen ohne Bewegung des Roboterarms
3. Roboterbetriebsarten (Regelungsverfahren)
Positionsregelung
- Präzise Punktansteuerung und Trajektorienführung im freien Raum
- Keine Reaktion auf Umweltkontakte
Impedanzregelung
- Kombiniert freie Bewegung und Umweltkontakt
- Nachgiebigkeit durch Impedanzfilter
- Nachteil: Kräfte nur indirekt geregelt
Hybride Regelungen (Kraft-Positionsregelung)
- Selektionsmatrix trennt Kraft- und Positionsregelung in verschiedenen Richtungen
- Erfordert exakte Trennung und Nachführen des Koordinatensystems
4. Programmierung von Robotern
Online-Programmierung
- Direkt am Roboter, in der Produktionsumgebung
- Methoden:
- Teach-In: Gelenkstellungen manuell anfahren und speichern
- Play-Back: Bahn wird manuell geführt, Positionen werden aufgezeichnet
- Master-Slave: Fernsteuerung über einen zweiten Roboterarm (z. B. Telerobotik)
Offline-Programmierung
- Am PC, unabhängig vom realen Roboter
- Simulation von Abläufen möglich
- Nachteil: Toleranzen in Realität können Korrekturen erfordern
Hybride Programmierung
- Kombination aus Offline-Strukturierung und Online-Feinjustierung
Implizite / Aufgabenorientierte Programmierung
- Abstrakte Vorgabe was getan werden soll, nicht wie
- Erfordert Sensorintegration und Aktionsplanung
5. Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit
- Wiederholgenauigkeit (Repeatability): Präzision beim Wiedererreichen gespeicherter Gelenkpositionen
- Genauigkeit (Accuracy): Exaktheit beim Anfahren berechneter kartesischer Punkte (benötigt inverse Kinematik)
- Verbesserung durch Kalibrierungsverfahren möglich
6. Sicherheit und Anlagenplanung
- Wichtige Faktoren:
- Aufstellort, Tragfähigkeit, Platzbedarf
- Externe Schutzeinrichtungen: NOT-Aus, Schutzzäune
- Definition von:
- Arbeitsbereichen
- Schutzbereichen
- Gefahrenbereichen (inkl. Bremsweg)
7. Neuere Ansätze & Autonome Systeme
Mensch-Roboter-Kooperation (MRK)
- Momentensensitive Roboter
- Kombination von menschlicher Flexibilität mit Roboterpräzision
- Ziel: Produktivität & Anpassungsfähigkeit steigern
Autonome Robotersysteme
- Wahrnehmung, Analyse, Entscheidung und Reaktion auf Umgebung
- Eigenschaften:
- Robustheit gegenüber Störungen
- Wissensbasierte, adaptive und lernfähige Systeme
- Zentrale Anforderungen: Flexibilität, Adaption, Lernfähigkeit
Hinweis: Inverse Kinematik bezeichnet den mathematischen Prozess zur Berechnung der notwendigen Gelenkwinkel für eine gegebene Position und Orientierung des Endeffektors.