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Realisierung eines ferngesteuerten autonomen mobilen Roboters

Entwurf eines Ausbildungskonzeptes für Robotik

Diplomarbeit 2001 186 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Robotik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Einleitung

Abbildungsverzeichnis

1 Grundlagen der Automatisierung
1.1 Automatisierungstechnik
1.1.1 Einfache Automatisierung im Sinne von Fertigungsprozessen
1.1.2 Flexible Automatisierung im Sinne von Fertigungsprozessen
1.1.3 Intelligente Automatisierung
1.2 Robotik
1.2.1 Definitionen und Begriffsentstehung
1.2.2 Industrieroboter
1.2.3 Autonome mobile Roboter
1.2.4 Anforderungen an Robotern und deren Einsatz

2 Beschreibung der Komponenten des Gesamtsystems
2.1 Der Roboter IR 50 p
2.2 Teilsysteme eines Roboters
2.2.1 Gelenke
2.2.2 Arbeitsraum und Grundkonfiguration
2.2.3 Der Roboterantrieb
2.2.3.1 Funktionsprinzip der elektrischen Antriebe in Robotertechnik
2.2.3.2 Wirkungsweise von Gleichstrommotoren
2.2.3.3 Fremderregter Gleichstrommotor
2.2.3.4 Gleichstrommotor mit Nebenschlussverhalten
2.2.3.5 Der Servomotor
2.2.3.6 Der Schrittmotor
2.2.4 Der Lageregler
2.3 Kinematik
2.3.1 Roboterkinematik
2.3.2 Programmiersoftware TBPS des Roboters IP 50 p
2.4 Der Fahrzeugantrieb
2.4.1 Der Bürstenlose Nabenmotor
2.4.2 Läuferlage-Gebersysteme für die EK-Maschinen

3 Praktische Entwicklung und Realisierung des Gesamtsystems
3.1 Das Fahrwerk
3.1.1 Konstruktion des Fahrwerkgrundgestells und der Auflageplatte
3.1.2 Entwurf des Kopplungsgliedes unter Berücksichtigung der Korrosionsfrage
3.1.3 Auswahl der Antriebsart
3.2 Leistungsbedarf und Leistungsangebot des Fahrwerks
3.2.1 Leistungsbedarf an den Antriebsrädern
3.2.2 Nachweis über genügenden Leistungsangebot des Nabenmotors
3.3 Energiespeicher
3.3.1 Leistungs- bzw. Arbeitsbedarf des Gesamtsystems
3.3.2 Speichervermögen der Sekundärbatterien
3.3.3 Auswahl des geeigneten Energiespeichers
3.4 Die Spannungsversorgung des Gesamtsystems
3.4.1 Prinzipieller Aufbau der Gesamtspannungsversorgung
3.4.2 Stufenweise Entwicklung der Spannungsversorgung
3.4.3 Sicherheitsaspekt bei der Spannungsversorgung
3.5 Steuerung und Regelung der elektrischen Antriebskomponenten
3.5.1 Elektrische Anfahrmittel
3.5.2 Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren
3.5.3 Gleichstromsteller
3.5.4 Regelung der bürstenlosen Motoren
3.6 Rechnerunterstützte Systemkommunikation
3.6.1 Netzwerk als Wireless LAN
3.6.2 Drahtlose Ansteuerung der bürstenlosen Nabenmotoren
3.6.2.1 Der I2C Bus
3.6.2.2 Ansprechen des I2C Interfaces unter Linux
3.6.2.3 Sollwerterzeugung mittels eines DA-Wandlers

4 Diskussion
4.1 Ausblick
4.2 Zukünftige Anwendungen

5 Anhang
5.1 Roboterbefehle und Kommandos
5.2 Technische Daten des Roboters IR 50 p
5.3 Arbeitsraum des Roboters IR 50p
5.4 Schaltplan I2C –Interface
5.5 Schaltplan DA-Wandler
5.6 Programmquellcode

6 Literaturverzeichnis

Lebenslauf

Erklärung

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 Modell eines automatisierten Prozesses

Abb. 2 Abbildungsvorschrift

Abb. 3 Verbindungsstruktur einfacher Prozesse

Abb. 4 Aufbau eines on-line Monitors für "cutting force"

Abb. 5 Aufbau des neuronalen Netzes

Abb. 6 Teilgebiete der Robotik

Abb. 7 Komponenten des Robotersystems

Abb. 8 Aufbau eines autonomen mobilen Systems

Abb. 9 Roboter- Stückpreisentwicklung [ Quelle VDMA, Dresdener Bank ]

Abb. 10 Geschätzter Roboterbestand [ Quelle VDMA, Dresdener Bank ]

Abb. 11 Der Knickarmroboter IR 50 p der Firma EUROBTEC

Abb. 12 Der Laderegler

Abb. 13 Die Roboterwerkzeuge

Abb. 14 Das Rotationsgelenk

Abb. 15 Das Torsionsgelenk

Abb. 16 Das Revolvergelenk

Abb. 17 Das Lineargelenk

Abb. 18 Der Arbeitsraum eines Roboters

Abb. 19 Grundformen des Arbeitsraumes, nach [6]

Abb. 20 Gleichstrommodell

Abb. 21 Drehmomentbeschreibungsmodell

Abb. 22 Ersatzschaltung zur Bestimmung des stationären Betriebsverhaltens

Abb. 23 Fremderregter Gleichstrommotor

Abb. 24 Gleichstrommotor als Nebenschluss

Abb. 25 Permanenterregter Motor nach dem Flusskonzentrationsprinzip

Abb. 26 Der Anker eines Scheibenläufermotors

Abb. 27 Prinzipieller Aufbau eines Scheibenläufermotors

Abb. 28 Reluktanzschrittmotor mit drei Ständerwicklungen

Abb. 29 Permanenterregter zweisträngiger Schrittmotor

Abb. 30 Aufbau eines Hybridschrittmotors

Abb. 31 Ansteuerung a) Unipolare Anspeisung b) Bipolare Anspeisung

Abb. 32 Statisches Drehmoment und Lastwinkel eines Schrittmotors

Abb. 33 Offener Wirkungskreis einer Steuerkette

Abb. 34 Struktur des Regelkreises

Abb. 35 Sprungantwort des P-Reglers

Abb. 36 Blockdarstellung des P-Reglers

Abb. 37 Sprungantwort des I-Reglers

Abb. 38 Blockdarstellung des I-Reglers

Abb. 39 Sprungantwort eines realen D-Reglers

Abb. 40 Blockdarstellung des DT1- Gliedes

Abb. 41 Sprungantwort eines PIDT1-Reglers

Abb. 42 Blockdarstellung des PID- Reglers

Abb. 43 Schaltung eines PIDT1 Reglers

Abb. 44 Das Weltkoordinatensystem

Abb. 45 Das Werkzeugkoordinatensystem

Abb. 46 Das Achsenkoordinatensystem

Abb. 47 Ebener Mechanismus

Abb. 48 Vorwärtstransformation

Abb. 49 Beispielprogramm mit TBPS Programmiersoftware

Abb. 50 Nabenantrieb mit pannensicherer Bereifung

Abb. 51 Prinzip des Hallsensors

Abb. 52 Abstandmessung mit dem Hallsensor

Abb. 53 Der Inkrementalgeber

Abb. 54 Absolutweggeber mit der Gray-Code-Scheibe

Abb. 55 Umcodierer Gray-Code - Binär-Code

Abb. 56 Der Transmitterresolver

Abb. 57 Das Grundgestell (rechts) und die Fahrwerkauflageplatte (links)

Abb. 58 Kopplungsglied zwischen dem Rad und des Fahrwerkgestells

Abb. 59 Die Lenkrollen

Abb. 60 Das Fahrwerk mit Systemkomponenten

Abb. 61 Antriebsart und Kreisradius beim a) Frontantrieb und b) Heckantrieb

Abb. 62 Unterschied zwischen Einachs- und Allradantrieb

Abb. 63 Haftreibungszahl als Funktion der Geschwindigkeit

Abb. 64 Kräfte und Momente am Rad

Abb. 65 Luftwiderstandsbeiwerte und Querspantflächen einiger Fahrzeuge

Abb. 66 Das Lechlanche-Element

Abb. 67 Aufbau der Sekundärbatterie

Abb. 68 Blockdarstellung der Gesamtspannungsversorgung

Abb. 69 Blockbild der Spannungsversorgungsplatine

Abb. 70 Stabilisierte fixe positive 5V-Spannungsquelle

Abb. 71 Erhöhung des Ausgangsstromes beider +5V- Spannungsquelle

Abb. 72 Erhöhung des Ausgangsstromes mit integrierten Kurzschlussschutz

Abb. 73 Positive Spannungsquelle 5V mit erhöhtem Lastrom

Abb. 74 Prinzipschaltbild des Abwärtswandlers

Abb. 75 Schaltnetzteil für Spannung von 5V bei 5A

Abb. 76 Spannungsversorgung 5V bei 7, 5 A

Abb. 77 Not-Aus Schaltung

Abb. 78 Ankervorwiderstandsbedingte Drehzahl-Drehmomentkennlinie

Abb. 79 Betriebsdiagramm des Gleichstrommotors

Abb. 80 Gleichstromsteller

Abb. 81 Gleichstromsteller mit zwangskommutierten Thyristor

Abb. 82 Regelungseinheit einer EK-Maschine

Abb. 83 Ist-Wert-Bildung bei a) konventionellen- b) sensorlosen Antrieben

Abb. 84 Vierquadrant -Chopperantrieb

Abb. 85 I2C Architektur

Abb. 86 I2C Datenleitungen

Abb. 87 Beispiel eines lesenden Zugriffs auf PCF 8951

Abb. 88 Level-Schifting Anbindung des I2C Busses

Abb. 89 Potenzialdifferenz zwischen DA-Wandler und Motorregler

Abb. 90 Spannungskompensation mittels eines Spannungsteilers

Abb. 91 Galvanisch getrennte Erhöhung der DA-Wandlerausgangsspannung

Abb. 92 Fahrwerkkomponenten

Abb. 93 Roboterfahrwerk vor der Gebäude V6

Einleitung

Der Gegenstand dieser Diplomarbeit ist die Erarbeitung eines Ausbildungskonzepts für das Rechenzentrum der Rheinischen Fachhochschule im Bereich der Robotik. Das Konzept soll die theoretische und praktische Leitlinie des Bildungsgags sein. Das bedeutet, dass die Lernenden auf der Basis von in dieser Arbeit beschriebenen Prinzipien und Methoden anhand der praxisrelevanter Problemstellung die sich aus dem Entwurf und Fernsteuerung eines kompletten Elektrospeicherfahrwerks für den mobilen Einsatz eines Knickarmroboters zusammensetzt, sowohl Gesamtabläufe als auch Teilfunktionsprozesse analysieren und Subsysteme bzw. Einrichtungen anforderungsgerecht zu gestalten lernen.

Die Lernenden sollen anhand diese Beispiels berufliche Handlungskompetenz erlangen, d.h. lernen wie in einer konkreten (beruflichen) Situation entstehende Probleme

- sachgerecht
- persönlich durchdacht
- in gesellschaftlicher Verantwortung

gelöst werden können. Aus dieser Arbeit gelungene Lösungsverfahren und erfolgreiche Handlungsmuster sind ins Handlungsrepertoire zu übernehmen (Bildungsgedanke) und an neue Probleme situativ anzupassen (Flexibilität, Transfer). Durch das Ausbildungskonzept soll ein Beitrag der Entwicklung der Arbeits- und Berufsfähigkeit des Lernenden sowie ein Orientierungssinn erweckt werden die Arbeitsanforderungen zu bewältigen. Im herkömmlichen Vermittlungsprozess stehen Aufgaben mit steigender Komplexität zur Lösung an. In Falle dieser Diplomarbeit wird die anstehende Aufgabenkomplexität variabel und abhängig von der Methodenkompetenz, die sich aus geplanter Zielanalyse, geordnete Aufnahme und Analyse von Daten zusammensetzt sowie der Sozialkompetenz die sich durch Fähigkeit im Umgang mit den Menschen im beruflich-sozialen Umfeld gekennzeichnet. Damit soll durch diese Diplomarbeit ein Bespiel repräsentiert werden wie durch selbständige und zugleich gruppenorientierte Handlungen eine Aufgabe temporär gelöst werden kann.

Dabei soll die in dieser Arbeit angewendete Methodik der Aufgabenbewältigung erkannt werden die sich wie folgt strukturell darstellen lässt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Alle aufgeführten Strukturschritte sind in der Arbeit vorzufinden außer dem Schritt der Informationsbeschaffung der sich aus der Recherche nach Material und Wissen, dem Vergleich der vorhandenen Lösungskonzepte und Informationsaustausch zusammensetzt. Dieser Schritt ist ein ständiger Begleiter zum Weg die gestellte Aufgabe zu lösen. Die Arbeit teilt sich grundsätzlich in zwei große Bereiche, den informativ-theoretischen Bereich zum Beginn der Arbeit folgend mit dem praktischen Bereich und Ausblick.

1 Grundlagen der Automatisierung

1.1 Automatisierungstechnik

Wohl keine technische Entwicklung hat in vergangenen zwei Jahrzehnten dieses Jahrhunderts die Gesellschaften der Industrienationen so stark geprägt wie die Automatisierung. Beobachtet man die tendenzielle Entwicklung der Verkäufermärkte zu Käufermärkten der letzten Jahren so werden die Vorteile der Automatisierung unübersehbar. Die Anwendung selbsttätiger technischer Einrichtungen , die an Stelle menschlicher Beobachtung, Überlegung und Handlung treten, bedeutet Erhöhung der Produktivität bei gleichzeitiger Senkung der Arbeitszeit, Steigerung der Produktqualität, die weitgehend konstant bleibt, da menschliche Unzulänglichkeiten als Einflussfaktor abnehmen oder ganz entfallen aber auch Entlastung des Menschen von körperlicher Arbeit.

Solche Vorteile, bedingt durch automatisierte Fertigung und Rationalisierung, ermöglichen beim heutigen Zuwachs an Konkurrenz und Forderung an Flexibilisierung, ein Standhalten einem rasant gestiegenen Kostendruck und sichern damit langfristig die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen. Auch der Faktor Mensch darf nicht vergessen werden, der sich den verändernden organisatorischen und fertigungstechnischen Betriebsabläufen anpassen muss. Die Aufgabe des Menschen im Rahmen der Automatisierung besteht in Konstruktion, Erstellung, Überwachung und Reparatur der automatischen Systeme. Dass dies sehr anspruchsvolle Aufgaben sind, ist selbstverständlich. Ebenso selbstverständlich ist, dass diese Aufgaben weitreichende Folgen für berufliche Erstausbildung besonders aber für berufliche Weiterbildung gehabt haben und in Zukunft haben werden. Neue Technologien sowie ständige Erhöhung von Komplexität der automatisierten Prozesse fordern einen hohen Maß an Qualifikation der Mitarbeiter im Unternehmen, die durch geeignete Schulungsmaßnahmen erhalten werden muss.

Zur Veranschaulichung eines automatisierten Prozesses nach [8] dient die Abb.1.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 Modell eines automatisierten Prozesses

Einem automatisierten Prozess werden Rohstoffe und Energie zugeführt. Das Ergebnis eines solchen Prozesses ist die Fertigung des gewünschten Produktes. Der automatisierte Prozess ist eine komplexe Einheit verschiedener Überwachungs- und Stellglieder die in den Prozess eingreifen. Für den Automatisierungsvorgang sind von besonderer Bedeutung die Schnittstellen der Informationsverarbeitung und Speicherung mit dem Prozess und dem Menschen. An den Ein- und Ausgabepunkt wird der automatisierte Prozess mit anderen Prozessen wie z.B. Materialtransport nach außen aber auch intern gekoppelt. Ein Beispiel der internen Kopplung ist die Anzeige von Prozesszuständen nach Informationsverarbeitung und Speicherung. Die Informationsausgabe an den Prozess erfolgt mit Hilfe von Aktoren, die die Ausgangssignale der Informationsverarbeitung in Aktionen umsetzen und in den Prozess durch Beeinflussung des Energie-, Stoff- und Materialflusses eingreifen. Überwachung des Produktionsprozesses erfolgt mit Hilfe der Sensoren , die die Messwerte aufnehmen, anpassen und die Verbindung des Prozesses mit Informationsverarbeitung ermöglichen. Die Informationsverarbeitung ist das "Gehirn" des automatisierten Prozesses die praktisch ausschließlich digital, mikroprozessorgesteuert und freiprogrammierbar erfolgt. Die Aufgabe des Menschen in diesem modellhaften Prozess ist die Beobachtung und Kontrolle des Prozesses mit Hilfe entsprechender Signaleinrichtungen.

1.1.1 Einfache Automatisierung im Sinne von Fertigungsprozessen

Die älteste Form der Fertigung ist die manuelle Fertigung, bei der die Erzeugnisse ganz oder vorwiegend in Handarbeit, mit zwingender Anwesenheit des Menschen erstellt werden. Die einsetzende Industrialisierung im 18. und 19 Jahrhundert drängte die manuelle Fertigung zurück und erforderte immer mehr, technische Prozesse ohne die Anwesenheit des Menschen durchzuführen. Damit begann die Automatisierung. In der heutigen Zeit findet man die manuelle Fertigung , bei solchen Tätigkeiten, die viel Kreativität und Handgeschicklichkeit verlangen. Berufe wie Töpfer, Schuhmacher, Goldschmiede, Zahntechniker sind Beispiele, bei denen Handarbeit vorherrscht. Aus Kostengründen ist eine manuelle Fertigung bei einmaligen oder selten vorkommenden Arbeitsvorgängen sinnvoll, aber auch hier werden immer mehr technische Hilfsmittel eingesetzt.

Mechanisierung als Vorstufe der einfachen Automatisierung liegt dann vor, wenn Erzeugnisse mit Hilfe von Maschinen erstellt werden. Manuelle Tätigkeit wird teilweise oder vollständig durch mechanische Vorrichtungen oder Maschinen ersetzt. Die Tätigkeit des Menschen bleibt dabei an den Produktionsprozess gebunden und besteht darin :

- die Arbeitsvorgänge zu steuern,
- die Werkstücke zu transportieren,
- den Produktionsablauf zu überwachen.

Maschinelle Fertigung brachte den Vorteil mit sich, dass die körperliche Belastung der Arbeiter durch die zunehmende Mechanisierung vermindert wurde. Der Einsatz von Maschinen ist aus wirtschaftlicher Sicht immer dann zu empfehlen, wenn häufig vorkommenden Arbeitsvorgänge auszuführen sind und insbesondere dann wenn eine Serien- und Massenfertigung erforderlich ist. Die Automatisierung wird definiert als "Durchführung automatischer Operationen gelenkt durch Programmbefehle bei automatischer Messung des Vorgangs, Rückkopplung und Entscheidungsfindung "[Encyclopaedia Britannica] Eine einfache Automatisierung im Sinne eines Fertigungsprozesses liegt dann vor wenn die einzelnen Vorgänge in einem Betrieb von einem Arbeitsautomaten erledigt werden, welcher die einzelnen Vorgänge selbständig mit vorgegebenen Anforderungen vergleicht und Abweichungen korrigiert. Ist sowohl Arbeitsprozess als auch innen betrieblicher Gütertransport, wie dies z.B. bei Produktionsprozessen der Fall ist, die mit automatischen Transporteinrichtungen (z.B. Fliessbändern) arbeiten, ist eine vollautomatisierte Fertigung gegeben. Aus Kostengründen erscheint sie als sinnvoll, wenn Arbeitsgänge aufgrund großer Stückzahl ständig zu wiederholen sind.

1.1.2 Flexible Automatisierung im Sinne von Fertigungsprozessen

Eine flexible Automatisierung ist dann gegeben wenn die automatisierten Maschinenoperationen flexibel anwendbar sind. Flexible Automatisierung ermöglicht dass zur gleichen Zeit und am gleichen Fertigungssystem unterschiedlichen Produkte hergestellt werden können. In diesem Zusammenhang bezeichnet man die flexible Automatisierung auch als flexibles Fertigungssystem (flexible manufacturing system - FMS) und Rechner integriertes Fertigungssystem (computer integrated manufacturing - CIM).

Stand früher die starre Automatisierung von Fertigungsabläufen im Vordergrund so werden heute verfahrensübergreifend Produktionsprozesse flexibel automatisiert. Bei der starren Automatisierung wurden in Zeiten der Massenproduktion Fertigungsabläufe so starr miteinander verkettet und automatisiert, dass auf diesen Anlagen eine Fertigung von Produktvarianten nicht möglich war. Stückzahlabhängig wurden während eines Produktlebenszyklusses von etwa 7 Jahren (in Automobilindustrie) nahezu unverändert das gleiche Produkt auf diesen Fertigungseinrichtungen hergestellt [2]. Wie bereits erwähnt haben sich tendenziell Verkäufermärkte zu Käufermärkten entwickelt, so dass heute ein sehr differenziertes Käuferverhalten das Produkt- geschehen bestimmt, was zu folgenden Erscheinungen auf den Märkten führt:

- Steigende Variantenvielfalt,
- sinkende Lieferfristen,
- steigende Qualitätsansprüche,
- sehr rasch abfallender Gebrauchswert der Produkte.

Den hohen Anforderungen an das Produktgeschehen, kann man heute nur mit hohen Anpassungsvermögen bei wechselnden Bedingungen gerecht werden. Somit finden Problemlöser ein angemessenes Maß zwischen Stetigkeit und Flexibilität. Sie weisen nämlich ein stetig konsistentes aber zugleich flexibles Verhalten auf. Sie passen ihr Vorgehen an sich ändernde Situationen oder bei auftretenden neuen Problemen unverzüglich an. Somit trägt die flexible Automatisierung dem sich rasch wandelnden Produktionsprogramm sicher Rechnung.

1.1.3 Intelligente Automatisierung

Die flexible Automatisierung wird durch die intelligente Automatisierung ergänzt. In diesem Zusammenhang wird als höchste Form der intelligenten Automatisierung möglichst umfassende Nachbildung der menschlichen Fähigkeiten angesehen. Ziel ist es letztlich eine künstlichen Mensch zu schaffen, der fähig ist schneller und effizienter als biologisches System, Probleme zu lösen. Dafür wurde der Begriff "Roboter" immer gebräuchlicher. Technische Prozesse, die bisher dem Menschen mit seinen manuell- motorischen und kognitiven Fähigkeiten vorbehalten waren, werden automatisiert. Ein Charakteristikum der Problemlösung in biologischen Systemen, die Adoption, wird bei der Entwicklung der intelligenten Automatisierung immer mehr übertragen. Es wird versucht Verfahren zu erforschen, die in der Lage sind, aufgrund von Beispielen zu lernen und so Lösungen zu schwierigen Problemen selbständig zu Entwickeln. Das Fachgebiet das sich mit Ansätzen und Methoden beschäftigt, die genau diese Eigenschaft aufweisen und im Unterschied zu anderen Verfahren des maschinellen Lernens durch den Aufbau unseres Nervensystems inspiriert sind und damit der Analogie zum menschlichen Wissenserwerb ein Stück näher kommen, wird als neuronale Netze bezeichnet. Neuronale Netze, stellen die höchste Stufe der Mikroprozessor basierte Sensorik , und werden in verschiedenen Bereichen, etwa der Mustererkennung, Kategorisierung, Funktionsapproximation, Optimierung, Prognose, der inhaltsbasierten Speicherung oder Regelung erfolgreich eingesetzt. Sie können als Abbildungsvorschrift verstanden werden, das eine Menge von Eingaben deren spezifische Eigenschaften durch sogenannte Eingabevektoren kodiert werden, in eine Menge von Ausgaben, die ebenfalls durch Vektoren beschrieben werden, abbildet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 Abbildungsvorschrift

Neuronale Netze habe die Aufgabe die einfachen Prozessoren, die nur einfache Rechnungen durchführen (z.B. Berechnung der gewichteten Summe aller Eingaben) zu verknüpfen. Verbindung der Prozessoren wird in Hinblick auf das gewünschte Ein- und Ausgabeverhalten durch ein Gewicht bewertet. Die Modifikation der Gewichtungen hat zu Folge die Formung des Ein- und Ausgabeverhaltens.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3 Verbindungsstruktur einfacher Prozesse

Anwendung der neuronalen Netzen als Teil der intelligenten Automatisierung wird am Beispiel der Überwachung des Fertigungsprozesses bei der industriellen Produktion dargestellt. Ziel ist es, "on-line" den Fertigungsprozess zu beobachten und gegebenenfalls durch Korrektur gewisser Maschinenparameter das gewünschte Produkt in der angestrebten Qualität herzustellen. Neben der Ausstattung der Fertigungsmaschine mit entsprechender Sensorik sind auch "on-line" Monitoren in diesem Zusammenhang von äußerste Wichtigkeit, um die Sensorinformation rasch und gründlich auszuwerten. Das folgende Beispiel beschreibt ein on-line-Monitoring-System auf Basis der neuronalen Netze, entwickelt von Zhang und Khanchustambham [3], das die Überwachung des Fertigungsprozesses bei der industriellen Produktion übernimmt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4 Aufbau eines on-line Monitors für "cutting force"

In der Abbildung 4 wird das Monitoring-System gezeigt, das den Fertigungsprozess in der Realzeit beobachtet.

Beim Realzeitbetrieb sind mit der Verarbeitung des Auftrags strenge Zeitbedingungen verbunden, die unbedingt eingehalten werden müssen, damit das System korrekt arbeitet. Die Berechnung der Ergebnisse muss innerhalb eine Zeitschranke, die in Millisekundenbereich liegen kann, abgeschlossen sein. Die Zeitbedingungen versucht man durch Parallelverarbeitung oder durch Verteilung der Systeme einzuhalten. Wichtigsten Eigenschaften des Monitoring-Systems sind:

- Kräfteaufnahme während des Schneideprozesses
- Aufnahme der Fertigungsqualität
- Prognose von Fertigungsparameter
- Abschätzung der Werkzeugnutzung

Aus diesen Informationen können dann notwendige Maßnahmen abgeleitet werden, die die Qualität der resultierenden Produkte sicherstellen. Das Werkstück wird auf die resultierende Oberflächenbeschaffenheit (surface finish) und im Hinblick auf die während des Prozesses auftretenden Kräfte (cut- ting force) beobachtet. Parallel dazu, um die Realzeitbedingungen einzuhalten berechnet das Netz auf der Grundlage der aktuellen Fertigungsparameter:

- Rotationsgeschwindigkeit (spindel speed) : Drehzahl des Werkstücks im festen Zeitintervall,
- Vorschub (feed) : Geschwindigkeit mit der das Werkzeug über das Werkstück gezogen wird,
- Tiefe (depth) : Schnittiefe des Werkzeugs,

einen Erwartungswert der Zufallsgröße für die auftretenden Schneidekräfte (cut- ting force, predicted) bzw. die Oberflächenbeschaffenheit (surface finish, predic- ted). In der Abb.4 ist jedoch nur die Graphik für Schneidekräfte dargestellt, Mo- nitoring der Oberflächenbeschaffenheit erfolgt analog.

Unter dem Erwartungswert µ der diskreten Zufallsgröße versteht man die Sum- me der Produkte einer diskreten Zufallsgröße X die die Werte xi mit Wahrschei- nlichkeit P (X = xi) annimmt. Sie wird wie folgt mathematisch beschrieben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In dem Beispiel ist die diskrete Zufallsgröße der aktuelle Fertigungsparameter, wie z.B.:

- Vorschub in Form von Geschwindigkeit,
- Tiefe in Form von Schnitttiefe oder
- Rotationsgeschwindigkeit in Form von Drehzahl des Werkstücks in festen Zeitintervall,

die die Werte mit entsprechen Wahrscheinlichkeit annimmt. Der Erwartungswert dieser Zufallsgröße für die auftretenden Schneidekräfte bzw. die Oberflächenbeschaffenheit darf jedoch nur unter gewisser Bandbreiten arbeiten. Wenn etwa die tatsächlichen Schneidekräfte einen gewissen Maximalwert übersteigen, so droht das Werkstück, das im vorliegenden Experiment aus Keramik besteht, zerstört zu werden. Oder falls die Werte für die Oberflächenbeschaffenheit aus einem gewissen Toleranzmaß herausragen, so sind die Qualitätsanforderungen nicht erfüllt. Das Werkstück würde einfach als Ausschuss klassifiziert oder es müsste nachgearbeitet werden. In der Applikation werden zwei Netze, für die Prognose der Schneidekräfte und zur Prognose der Oberflächenbeschaffenheit, eingesetzt. Folgender Abbildung zeigt die Topologie beider Netze.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5 Aufbau des neuronalen Netzes

1.2 Robotik

Robotik ist mehrere Disziplinen umfassendes Wissensgebiet, das sich mit der Entwicklung, Konstruktion und Anwendung von Robotersystemen beschäftigt.

In [5] wird sie definiert als "...Disziplin, die sich mit den systematischen Aufbau, der Programmierung und der Anwendung von intelligenten Robotern Beschäftigt, die nach biologischen Vorbildern, sehen, gehen, fühlen, greifen und logische Schlüsse ziehen können, so daß sie Aufgaben autonom durchführen

können, die von Menschen gemeistert werden." Robotik, als interdisziplinäres Wissenschaftszweig verschmelzt mit anderen Wissenschaften, wie z.B. Informatik, Mechanik, Elektrotechnik sowie allgemeine Naturwissenschaften und Künstliche Intelligenz, was zur folgenden Sichtweise der Robotik führt :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6 Teilgebiete der Robotik

Beim Entwurf eines Robotersystems wird von dem Konzept der klassischen schrittweise Verfeinerung des umfassenden, abstrakter beschriebenen Problem ("Top-down" - Vorgehen), wegen der auftretenden Schwierigkeiten abgewichen.

Der Top-down - Ansatz ist durch langsame Integration aktueller (Sensor-) Informationen gekennzeichnet und stoßt schnell an seine Grenzen wegen mangelnder Rechenleistung. Neuere Ansätze wie "Bottom-up"- Vorgehen gehen von einem reaktiven System aus und sind durch schnelle und gezielte Reflexe und Reaktionen auf Umweltinformationen gekennzeichnet. Prinzipiell beginnt die Bottom-up-Bearbeitung bei einem vorhandenen System. In jedem Entwurfsschritt werden Funktionen der jeweils obersten Entwurfsebene zu

Komfortablen Funktionen zusammengesetzt, welche für die Problemlösung besser geeignet sind. Diese bilden eine neue höhere Entwurfsebene. Praktisch können weitere "intelligente" Komponenten nach und nach hinzugefügt werden. Dies wird auch als verhaltensbasierte Robotik bezeichnet.

1.2.1 Definitionen und Begriffsentstehung

Aus geschichtlichen Betrachtungen können Vorläufer heutiger Roboter in frühen mechanischen Geräten (Automaten) gesehen werden. Man findet Hinweise auf Automaten und bewegliche Statuen in Griechenland und Ägypten in Form von Getränkewagen für Symposien der Götter, schon ca. 370 Jahren vor Christus. Später waren die größten Fortschritte in Automatenbau in Ländern wie Frankreich, Schweiz und Deutschland (insbesondere in Städten Augsburg und Nürnberg) verzeichnet. Die Entwicklung der Roboter in heutigen Form begann erst Mitte dieses Jahrhunderts. Im Jahre 1946 wurde vom Amerikaner G.C. Devol ein Steuergerät entwickelt, das elektrische Signale magnetische aufzeichnen und wieder spielen konnte, um eine mechanische Maschine zu steuern. Ein Patent einer Roboterentwicklung reichte 1954 der Brite C.W. Kennward ein. Erste kommerzielle Roboter wurde im Jahre 1959 von der Firma Planet Corp vorgestellt. Dieser Roboter wurde durch Kurvenscheiben und Begrenzungsschalter gesteuert. Erster Industrieroboter wurde 1960 von "Unimate" vorgestellt. Dieser Basierte auf den Arbeiten von Devol. Erste Roboterprogrammiersprache (Wave) wurde 1973 entwickelt. Ein Jahr später folgte die Entwicklung der Programmiersprache AL. Erste programmierbare Maschine für Montageanwendungen (PUMA) wurde von Unimate vorgestellt. Dieser Roboter wurde elektrisch angetrieben und basiert auf Entwurf von General Motors. Erste lernfähige, geländetaugliche Maschine wurde von Brooks und Cruse 1992 vorgestellt. Im Jahre 1994 wurde im Frankfurt der sog. Robodoc bei einer Hüftoperation eingesetzt. Der autonome mobile Roboter mit Eigenschaften wie Selbstlokalisation, Zielfindung, Homming, Hindernisvermeidung wurde an der Hannover-Messe 1999 vorgestellt. Dieser wurde von dem Fraunhofer Institut für Robotik entwickelt und stellt den Stand der Technik dar.

Für einen Roboter gibt es zahlreiche Definitionen, die jedoch alle eines gemeinsam haben, dass ein Roboter ein selbständig handelndes Gerät sein muss. Eigentlicher Begriff "Roboter" wurde vom tschechischen Schriftsteller Karel Capek im Roman "Rossums Universalroboter" geprägt [zu tschechisch: robota - "Arbeit, Zwangsarbeit, Fronarbeit"]. Ein weiterer Schriftsteller Isak Assimov definierte im Jahre 1942 drei Robotergesetze, die sog. Assimov'schen Robotergesetze wonach:

1. Ein Roboter keinen Menschen verletzen oder durch Untätigkeiten zu schaden kommen lassen darf.
2. Ein Roboter den Befehlen der Menschen gehorchen muss, es sei denn, solche Befehle stehen im Widerspruch zum ersten Gesetz.
3. Ein Roboter seine Existenz schützen muss, solange dies sein Handeln nicht dem ersten oder zweiten Gesetz widerspricht.

Umgangssprachlich bezeichnet man heute einen Roboter, als flexibles Handhabungsgerät, das deutlich über die Leistung von NC-Maschinen hinausgeht. Die Definition für eine Roboter gemäß der VDI - Richtlinie 2860 verdeutlicht die Abgrenzung der Roboter von eine herkömmlichen Fertigungsmaschine: "Ein Roboter ist ein universell einsetzbarer Bewegungsautomat mit mehrerer Achsen, dessen Bewegungen hinsichtlich Folge und Wegen bzw. Winkeln frei programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind". Ähnlich wie ein Mensch, kann ein Roboter eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben unter Bedingungen erledigen, die nicht alle vorher bekannt sind.

Anhand der realisierten Steuerungs- und Regelungskonzepten erkennt man verschiedenen Robotergenerationen. Die heute im Einsatz befindlichen Roboter lassen sich prinzipiell in drei Robotergenerationen unterteilen:

1.Generation: (programmierbare Manipulatoren, 1960-1975).Erste Robotergene-

ration ist gekennzeichnet durch geringe Rechenleistung. Ablauf von Bewegungen erfolgte mit eine Ist-Soll-Vergleich. Es ist möglich nur die festen Haltepunkte anzufahren. Für die Roboter ist eine exakte und robotergerechte Umgebung erforderlich. Die Roboter der ersten Generation haben kaum sensorielle Fähigkeiten so dass nur eine Pick-and-Place-Aktion möglich ist. Es ist nur eine Punkt-zu-Punkt-Programmierung mit der Teachbox möglich.

2.Generation: (adaptive Roboter, 1976-1982). Zweite Robotergeneration wurde um Fähigkeiten wie: Positionskorrektur, Form- und Lageerkennung, Selbstüberwachung sowie Zustandsverarbeitung erweitert. Die Informationsgewinnung erfolgt durch den Einsatz von mehr taktilen, optischen und visuellen Sensoren. Die Arbeitsumgebung ist nicht exakt dem Roboter angepasst , vielmehr darf sie eine größere "Unordnung" aufweisen. Zur Programmierung wurden neu entwickelte Roboterprogrammiersprachen wie z.B. VAL eingesetzt. Sensorfunktionen sind in der Sprache eingebunden. Programmierobjekt ist jedoch nicht die Aufgabe sondern der Roboter (implizite Programmierung). Roboter- Intelligenz ist gering so dass nur Durchführung adaptiver Aufgaben möglich ist.

3.Generation: (autonome Roboter, ab 1983). Die Roboter der dritten Generation sind gekennzeichnet durch hohe Rechenleistung. Es ist eine Multisensorik vorhanden, vorrangig visuelle Sensoren. Adaptives Verhalten ist durch Methoden der Künstlichen Intelligenz erreicht worden. Programmierung erfolgt aufgabenorientiert. Eine Forderung nach mehr maschinellen Autonomie ist ein der Hauptmerkmale der Roboter der dritten Generation.

Die heute eingesetzten Roboter gehören der zweiten und dritten Generation. Die wichtigsten Vertreter dieser Gruppen sind die in Betrieben eingesetzten Industrieroboter sowie z.B. in der Luft- und Raumfahrt eingesetzten, autonom bewegliche Geländeroboter. Diese werden in gefährlichen oder schwer zugänglichen Umgebungen eingesetzt.

1.2.2 Industrieroboter

Ein automatisch gesteuertes, wiederprogrammierbares, vielfach einsetzbares Handhabungsgerät mit mehreren Freiheitsgraden, das entweder ortsfest oder beweglich in automatisierten Fertigungssystemen eingesetzt werden kann, wird als Industrieroboter bezeichnet. (ISO 10218:1992(E)) Industrieroboter sind Arbeitsmaschinen, die zur selbsttätigen Handhabung von Objekten in der Lage sind. Sie sind in mehreren Bewegungsaschen hinsichtlich Position, Orientierung, Bewegungsgeschwindigkeit und Arbeitsablauf frei programmierbar. Wurzeln der Industrieroboter sind bei Telemanipulatoren zur Handhabung radioaktiver Materialien zu finden. Das waren Geräte , mit denen Objekte in gewünschter Weise gehandhabt werden können, ohne sie mit Händen zu Berühren. Später wurden Industrieroboter durch Einsatz der servoelektrischen Systeme, Regelung folgend mit numerischen Steuerung und letztlich durch Einsatz der Mikroprozessortechnik zur heutigen Form gebracht. Ein Industrieroboter ist so wie er in Herstellerunterlagen angeboten wird, im Gegensatz zu vielen anderen Maschinen noch kein einsatzfähiges Gerät. Erst der Anbau von auf die Aufgabe abgestimmten Teilen, der Einsatz der speziell entwickelte Steuerung sowie der Peripheriegeräten und Sicherheitseinrichtungen und schließlich Erstellen und Einlesen der Steuersoftware, machen aus einem seriell produzierten Industrieroboter ein arbeitseinsetzbares Robotersystem. In der Abb.7 sind Komponenten eines Robotersystems dargestellt. Zur Steuerung der einzelnen Achsen benötigen Industrieroboter u.a. verschiedene Sensorsysteme, um die aktuelle Position der Achsen zu bestimmen. Dies beinhaltet allerdings keine Sensorsysteme zur umfassender Identifikation von Prozess und Umwelt. Sie sind daher an ein festgelegtes Umweltmodell, dass zum Zeitpunkt der Steuerungsprogrammierung definiert wird, gebunden [4]. Dadurch wird ein weiteres Merkmal der Industrieroboter deutlich nämlich, sie verfügen über keine Mittel zur eigenständigen Fortbewegung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7 Komponenten des Robotersystems

1.2.3 Autonome mobile Roboter

Im Wege der Weiterentwicklung der Robotik, wurden viele neue Einsatzgebiete für Roboter erschlossen, die eine selbständige Orientierung und Fortbewegung in einer unbekannten, realen Umgebung erfordern. Diese Anforderungen waren die Grundlage für die Entwicklung der Roboter die unabhängig vom Benutzer handeln. Diese Roboter bezeichnet man als die Roboter der dritten Generation, oder auch autonome mobile Roboter. Sie besitzen Wissen über Problem- und Systemumgebung, um die Informationen aus der Umgebung richtig interpretieren und darauf geeignet reagieren zu können. Für die autonome Roboter werden auch Bergriffe wie: autonome Systeme oder intelligente Roboter verwendet. Die Abb.8 zeigt den typischen Aufbau eines autonomen mobilen Systems. In der Architektur des autonomen mobilen System sind drei Bereiche zu erkennen: reaktiver, strategischer und taktischer Bereich. Eine solche Struktur wird auch als horizontale, hierarchische oder funktionale Kontrollstruktur bezeichnet. Der strategische Bereich wird auch als Planer bezeichnet. Diese Ebene verwaltet die Weltrepräsentation entsprechend der aus der Umwelt gewonnenen Informationen und plant die strategisch wichtigen Zwischenpunkte zur Abarbeitung durch den Navigator.

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Abb. 8 Aufbau eines autonomen mobilen Systems

Der taktische Bereich wird auch als Navigator bezeichnet. Der Navigator ist mit der Wegplanung für das nächste Ziel beschäftigt. Es werden verschiedene Algorithmen z.B. für die Umgehung von Hindernissen geplant. Die Aufträge für die eventuellen Unterziele werden an den reaktiven Bereich weitergeleitet. Der reaktive Bereich wird auch als Pilot bezeichnet. In dieser Ebene findet die aktive Fortbewegung statt. Aus dieser Ebene wird der Hardwarebereich gesteuert. Ebenso werden in dieser Ebene Routinen durchgeführt die z.B. zum Zwecke von Kollisionsvermeidung mit unvorhersehbaren, plötzlich auftretenden Hindernissen dienen. Bei größerer Problemstellung wird eine interne Kommunikation mit dem taktischen Bereich vorgenommen. Alle drei Bereiche werden mit den Sensordaten versorgt, aufgrund deren Auswertung die unmittelbare Umgebung bekannt wird.

Nach [5] kann jede dieser Bereiche weiter unterteilt werden in Aufgabenplaner (Inferenzmaschine, Kontrollkomponente), Umweltmodell (Wissensbasis) und Sensordatenverarbeitung (Datenbasis). Eine solche Unterteilung wird auch als vertikale Kontrollstruktur bezeichnet.

1.2.4 Anforderungen an Robotern und deren Einsatz

Die Leistungsfähigkeit elektronischer Systeme verzehnfacht sich derzeit etwa alle 5 bis 7 Jahren. Insofern verwundert es kaum, dass die Informationstechnik immer mehr Wirtschaftsbereiche durchdringt. Allem voran sind es Fortschritte in der Mikroelektronik, der Bildverarbeitung und der Sensorik, die auch der weiteren Automatisierung zahlreicher Fertigungsprozesse in erheblichen Umfang Vorschub leisten. Die Leistungskriterien von Robotern und die Vorgehensweise bei der Erfassung sind umfassend in der Europäischen Norm EN 29283 zusammengefasst. Einige Details dieser Norm sind der folgenden Tabelle zu entnehmen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1. Leistungskriterien von Robotern

Nicht zuletzt aufgrund vereinfachter Steuerung und gesunkener Kosten werden immer breitere Anwendungsbereiche für Roboter verzeichnet. Die oben dargestellte Tabelle gibt einen Überblick über Anforderungen an Robotern und Robotersteuerungen für verschiedene Anwendungsbereiche. Da exakten Anforderungen immer stark abhängig von Details der Aufgabenstellung sind, kann die globale Beurteilung nur eine grobe Hilfestellung bezüglich der Anforderungen sein. Roboter werden auch für spezielle Anforderungen gebaut. Die größten Anforderungen werden an Roboter gestellt, die in Ex- Schutz- Ausführung hergestellt werden sowie an Roboter die in Vakuum eingesetzt werden. Bei der Ex- Schutz- Ausführung werden besondere Maßnahmen zur Vermeidung von Funkenbildung getroffen und bei den Robotern für den Vakuumeinsatz ist zu beachten, dass Fette, Kabel und sonstige Kunststoffmaterialien nicht ausgasen und verspröden. Außerdem ist darauf zu achten, dass die Restluft in den Hohlräumen des Roboters wegen der Einhaltung des Vakuumzustandes leicht abgesaugt werden kann. Sehr bedeutende Märkte für die Sonderanfertigung von Robotern sind der Lebensmittel- und Arzneimittelbereich. Hier werden Roboter eingesetzt die über Qualifikation für Reinraum - Anwendungen verfügen.

Während sich bundesweit rund 200 Unternehmen der Robotik - Industrie auf die industrielle Bildverarbeitung spezialisiert haben finden sich in den anderen Segmenten wie z.B. Montage, Systeme+Komponenten und Handhabungstechnik im engeren Sinne schwerpunktmäßig etwa 300 deutsche Unternehmen. Hauptabnehmer war bislang die Autoindustrie, bei der derzeit immerhin etwa die Hälfte der neu hergestellten Industrierobotern zum Einsatz kommen, was im großen Umfang den Unternehmen Profit und Wettbewerbsvorsprung gebracht hat. Die Bundesrepublik Deutschland gehört nach Angaben des VDMA zu einem der weltweiten Marktführer in der Automatisierungstechnik. Das Weltmarktvolumen der Automatisierungstechnik ist aktuell mit etwa 170 Mrd. DM zu veranschlagen, wovon 22 Mrd. DM auf Deutschland entfallen. Daraus ist leicht zu schließen dass eine Ausbildung in diesem Bereich von der Industrie sehr gefragt ist. Durch die Vereinfachung der Steuerungstechnik und leichte Programmierbarkeit bei gleichzeitig höherer Störresistenz und Zuverlässigkeit wurde die Akzeptanz der Robotik bereits in den Vergangenheit maßgeblich gesteigert. Hinzu kommen deutlich gesunkene Anschaffungskosten sowie stark

gesunkene Betriebskosten was Automatisierung nun sogar für mittelständische Unternehmen attraktiv erscheinen lässt: So haben sich die Roboterpreise nach Einschätzung der VDMA - gemessen als Produktionswert pro Stück - von 200.000 DM im Jahr 1985 auf aktuell ca. 90.000 DM mehr als halbiert. Da sich dieser Trend auch in nächsten Jahren fortsetzen wird, rechnet man nach Einschätzung der Dresdener Bank für das Jahr 2005 mit einem Stückpreis pro Roboter, in Höhe von knapp 75.000 DM. Der Stückpreisentwicklung der letzten 15 Jahren ist in der unten angegebenen Abbildung dargestellt.

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Abb. 9 Roboter- Stückpreisentwicklung [ Quelle VDMA, Dresdener Bank ]

Nach Einschätzung der genannten Institutionen dürfte das jährliche Wachstumspotenzial des Robotermarktes bis 2010 auch weiterhin im Mittel bei nominal rund 10% und real ca. 15 % pro Jahr liegen und damit die durchschnittliche Zuwachsrate der Gesamtindustrie weiterhin deutlich übersteigen. Die Anzahl der eingesetzten Roboter wird dabei vor allem in den USA, Westeuropa und Südkorea weiter stark zunehmen und sich in den nächsten 10 Jahren zum Teil verdoppeln. Nur im Japan wird dagegen Bestandsrückgänge erwartet, da die japanische Statistik durch den Ausweis auch von ein- und zweiachsigen Bewegungsmodulen als Roboter künstlich aufgebläht worden ist. Diese Geräte werden zunehmend von frei programmierbaren High- Tech- Entwicklungen mit mindestens drei Achsen, also eigentlichen Robotern, verdrängt. Der geschätzter Roboterbestand im Einsatz ist in der Abb.9 dargestellt.

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Abb. 10 Geschätzter Roboterbestand [ Quelle VDMA, Dresdener Bank ]

In den nächsten Jahren wird zudem die Bedeutung der Servicerobotern zunehmen. Ihr Marktpotenzial dürfte nach Einschätzungen in zweistelligen Milliardenbereich angesiedelt sein. Als zukünftige Anwendungsgebiete der Servicerobotern sind neben Selbstbedienungssystemen im Einzelhandel sowie Recycling oder Demontage unter anderem vollautomatische Betankungsanlagen denkbar, die vor allem im Hinblick auf neue und möglicherweise gefährliche Antriebsstoffe wie z.B. Wasserstoff als sinnvoll erscheinen.

Die künftige Einschätzung des Einsatzes der Roboter bekräftigt die Wichtigkeit der Robotik als Wissenschaftsgebiet und macht deutlich dass derzeit aber auch künftig, der Bedarf an Fachkräften aus diesem Bereich für die große und mittelständige Unternehmen, mittel- und langfristig gedeckt werden muss und deren Einsatz für die Industrie unentbehrlich bleibt. Daher ist es wichtig auf dem Gebiet der Robotik entsprechende Ausbildungskonzepte zu entwickeln, die den Nachwuchskräften eine effiziente Einführung in den theoretischen und praktischen Teil dieses Wissenschaftsgebiets ermöglichen.

2 Beschreibung der Komponenten des Gesamtsystems

2.1 Der Roboter IR 50 p

Der IR 50 p ist ein hochwertiger Knickarmroboter, der für Anwendungen konzi-piert wurde, bei denen ein kompaktes, flexibles Handhabungssystem gefordert ist. Der Roboter besitzt fünf rotatorische Achsen und eine Greifeinheit. Alle Achsen können gleichzeitig bewegt werden. Somit können 5125 Raumpunkte innerhalb des Bewegungsradius angefahren werden. Das Öffnen und Schließen des elektrischen Greifers erfolgt mit einer Auflösung von 100 Schritten. Die Abbildung 11 zeigt den Roboter IR 50 p.

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Abb. 11 Der Knickarmroboter IR 50 p der Firma EUROBTEC

Die Gelenke werden durch leistungsstarke Gleichstromservomotoren angetrieben, deren Position durch potentiometrische Wegmesssysteme absolut bestimmt wird. Der Controller des IR 50 p kennt somit immer die aktuelle Position aller Achsen, auch nach einem Reset oder Stromausfall. Der Lageregler konnte dank seiner Kompakten Bauform zusammen mit den Motorenendstufen im Sockel des Roboters untergebracht werden. Dieser PID-Regler kann zusätzlich zu den fünf Roboterachsen zwei weitere externe Achsen (z.B. Linearachsen zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches) kontrollieren. Die Basis bildet ein V25 Prozessor von NEC. Der IR 50 p kann über eine eingebaute RS 232- Schnittstelle mit jedem IBM - kompatiblen PC programmiert werden. Eine eigene Softwareapplikation zur Kommunikation zwischen dem PC und dem Laderegler kann mit Hilfe der Libraries für die Sprachen QBASIC, Turbo-Pascal und C erstellt werden. Der Laderegler ist in der Abbildung 12 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 12 Der Laderegler

Um verschiedenste Handlingsaufgaben lösen zu können, kann an das Gerät, über einen genormten Werkzeugflansch wahlweise ein elektrischer, pneumatischer oder Vakuumgreifer angeschlossen werden. Die eingebaute Steuerung erkennt nach dem Einschalten automatisch die Art des angebauten Greifers und steuert diesen entsprechend. Die Abbildung 13 zeigt die verschiedenen Greiferarten.

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Abb. 13 Die Roboterwerkzeuge

Die Programmierung des Roboters erfolgt mit Handprogrammiergerät, der Teachbox als stand - alone Gerät, mit IBM- kompatiblem PC, XT, AT und TBPS- Software oder mit selbst geschriebener Software und den Include - Files über RS232-Schnittstelle. Mit der Teachbox können durch einfachen Befehlssatz nacheinander verschiedenen Positionen angefahren werden, in den Befehlsspeicher übernommen und so als Bewegungsprogramm gespeichert werden. Das Teachbox- Layout und die zugehörigen Befehle sind im Anhang 1 zu finden. Die Programme können durch programmierbaren Marken begrenzt werden, so dass ein Verketten der verschiedenen Programmen möglich ist. Die Programmteile können aber auch durch die Abfrage der Zustände der acht digitalen Eingänge beeinflusst werden so dass ein gezieltes Reagieren des Roboter auf die äußeren Einflüsse möglich ist. Der Roboter kann ebenso mit den eingebauten acht digitalen Ausgängen die periphere Komponenten nach dem eingegebenen Programm steuern. Dadurch kann er sowohl wie eine frei programmierbare Steuerung als auch verkettet mit einer Fertigungseinrichtung verwendet werden. Technische Daten über Roboter IR 50 p und der Steuerung sind im Anhang 2 zu finden.

2.2 Teilsysteme eines Roboters

Um die Funktion eines Robotergesamtsystems zu verstehen, ist es sinnvoll zunächst die Teilsysteme zu beschreiben die bei jeden Robotertyp zu finden sind. Explizit werden im folgenden auch einige Teilsysteme in Verbindung mit dem Roboter IR 50 p dargestellt und beschrieben.

2.2.1 Gelenke

Wie immer Roboter konstruiert sein mögen, sie bestehen aus mehreren durch Gelenke miteinander verbundenen Teilstrukturen. Die Gelenke ermöglichen dabei die Bewegungen des Roboters. Die vier wichtigsten Gelenktypen sind :

- Rotationsgelenk
- Torsionsgelenk
- Revolvergelenk
- Lineargelenk

Beim Rotationsgelenk bildet die Drehachse einen rechten Winkel mit den Achsen der beiden angeschlossenen Gliedern.

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Abb. 14 Das Rotationsgelenk

Beim Torsionsgelenk verläuft die Drehachse parallel zu den Achsen der beiden Glieder.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 15 Das Torsionsgelenk

Beim Revolvergelenk verläuft das Eingangsglied parallel zur Drehachse, das Ausgangsglied steht im rechten Winkel zur Drehachse.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 16 Das Revolvergelenk

Das Lineargelenk, auch Translationsgelenk, Schubgelenk oder prismatisches Gelenk bewirkt eine gleitende oder fortschreitende Bewegung entlang der Achse.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 17 Das Lineargelenk

Mindestens drei Gelenke benötigt ein Roboter, um in dreidimensionalen Raum kartesischen Raum an jede Position gelangen zu können Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten eise drei Lineargelenke. Dabei ist einsichtig dass jedes Gelenk die Bewegung in eine neue Dimension ermöglichen muss, es muss einen neuen Freiheitsgrad f mit sich bringen. Der Freiheitsgrad eines Roboters gibt an, wie viele unabhängig voneinander angetriebenen Achsen zu einer eindeutigen Bewegung führen. In der Robotertechnik wird jedes Gelenk mit den beiden dazugehörigen Gliedern als Achse bezeichnet. Weitere drei Gelenke sind notwendig, um den Effektor an seiner Position in jede beliebige Orientierung zu drehen. Diese insgesamt sechs Gelenke entsprechen den sechs Freiheitsgraden für ein in kartesischen Raum frei bewegliches Objekt. Man beachte, dass das Einstellen der Orientierung nur mit Drehgelenken erreicht werden kann, da Schubgelenke ihre Orientierung stets beibehalten. Ein Roboter mit einem Freiheitsgrad f größer als drei besitzt also immer mindestens f-3 Drehgelenke. Bei Robotern kommen Drehgelenke und Schubgelenke vor. Die Lage eines Drehgelenks wird durch den Drehwinkel, die Lage eines Schubgelenkes durch die Ausfahrweite beschrieben. Komplizierte Gelenkenformen, wie etwa ein Kugelgelenk, werden stets durch entsprechende Anordnung von Dreh- und Schubgelenken ersetzt, um den mechanischen, elektrischen und messtechnischen Aufwand zu begrenzen.

Der ortsfeste Standroboter ist stets mit seinem Chassis fest mit dem Boden verbunden. Die einzelnen Glieder stützen sich fortlaufend, mit dem Chassis beginnend, aufeinander ab. Sie bilden eine offene kinematische Kette, deren letztes Glied das Werkzeug bildet. Eine kinematische Kette, die weniger als sechs Freiheitsgrade (Gelenke) besitzt, kann auch in der Mitte ihres Arbeitsbereiches nicht in jeder Position jede beliebige Orientierung erreichen. Ein Roboter mit weniger als sechs Freiheitsgraden wird deshalb als global degeneriert bezeichnet. Dagegen bezeichnet man die Gelenkeinstellungen, bei denen ein oder mehrere Freiheitsgrade verloren gehen, als lokal degeneriert. Für Roboter mit mehr als sechs Achsen ist das Problem, eine kartesisch vorgegebene Position und Orientierung der Werkzeugspitze einzunehmen, überbestimmt.

Eine kinematische Kette mit mehr als sechs Achsen heißt deshalb redundant. Beispielsweise bringen zwei aufeinanderfolgende Lineargelenke keine zusätzlichen Freiheitsgrad mit sich, in diesem Fall ist ein Gelenk redundant, da die selbe Funktionalität auch mit einzigen Gelenk erreicht werden könnte.

[...]

Details

Seiten
186
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2001
ISBN (eBook)
9783836610230
Dateigröße
5.7 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v225622
Institution / Hochschule
Rheinische Fachhochschule Köln – Elektrotechnik
Note
1,3
Schlagworte
robotik mobile roboter elektrofahrzeug ausbildungskonzept wlan

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Titel: Realisierung eines ferngesteuerten autonomen mobilen Roboters