Computergesteuerte Industrieroboter: Grundlagen und Einsatz
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Weinheim u.a.
VCH
1990
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| Edition: | 1. Aufl. |
| Series: | Robotik
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1 Überblick 1
1.1 Grundlagen 1
1.2 Kleine Terminologie der Robotertechnik 2
1.2.1 Manipulator 2
1.2.2 Teleoperator 3
1.2.3 Industriemanipulatoren 3
1.3 Geometrie der Manipulatoren 3
1.3.1 Kartesische Geometrie 4
1.3.2 Zylindrische Geometrie 4
1.3.3 Sphärische Geometrie 6
1.3.4 Gelenkgeometrie 10
1.4.1 Begrenzter Arbeitsbereich: Mechanische Anschlagsteuerung ... 10
1.4.2 Servogesteuerte Roboter 11
1.4.3 Bahnsteuerung 12
1.5 Bausteine eines Robotersystems 13
1.5.1 Stellglied 13
1.6 Überblick 15
1.7 Zusammenfassung 17
1.8 Aufgaben 18
2 Erfassung von Lage und Geschwindigkeit 19
2.1 Digital/Analog Umsetzer 20
2.2 Analog Digital Umsetzer 21
2.3 Analoge Positionsmessung 27
2.4 Digitale Messung von Position und Geschwindigkeit 27
2.4.1 Optische Winkelcodierer 29
2.5 Zähler 32
2.5.1 Decodierung des inkrementellen Codierers mit Hilfe einer
sequentiellen Maschine 32
2.5.2 Decodierung des inkrementellen Codierers mit Hilfe von
Synchronisierflipflops 34
XVI Inhalt
2.5.2 Anordnungsbetrachtungen 38
2.6 Hardware zur Geschwindigkeitsmessung 38
2.7 Richtungsbestimmung 42
2.8 Schätzung der Ist Geschwindigkeit aufgrund der Messung 42
2.9 Schlußfolgerung und eine alternative Anordnung 43
2.10 Zusammenfassung 44
2.11 Aufgaben 46
3 Störsignale in Digitalschaltungen 49
3.1 Störsignalquellen 50
3.2 Externe Störsignale und der Schmitt Trigger 51
3.3 Übersprechen 62
3.4 Abschirmung zur Unterdrückung von externen Störsignalen 54
3.5 Erdung 56
3.6 Übertragungsleitungen 60
3.7 Kollektorstromspitzen 73
3.8 Zusammenfassung 77
3.9 Aufgaben 79
4 Stellantriebe 81
4.1 Der Gleichstrommotor 81
4.1.1 Belastung von Gleichstrommotoren 85
4.1.2 Antrieb des Gleichstrommotors 87
4.2 Schrittmotoren 92
4.2.1 Aufbau des Schrittmotors 92
4.2.2 Der Schrittmotortreiber 94
4.2.3 Leistung von Schrittmotoren 95
4.3 Hydraulische Stellantriebe 96
4.3.1 Arbeitsprinzipien hydraulischer Stellantriebe 96
4.3.2 Betrachtungen zur Realisierung 98
4.4 Pneumatische Stellantriebe 10°
4.5 Zusammenfassung 104o
4.6 Aufgaben • • • 105
5 Steuerung (Regelung) 107
5 l Proportionalregelung 107
5.2 Das Problem der Proportionalabweichung l11
5.3 Überschwingung 112
5.4 Abtaststeuerglieder 115
Inhalt XVII
5.5 Der spannungsgesteuerte Gleichstrommotor 117
5.6 Wahl der Servoverstärkung 119
5.7 Die Wahl der gesteuerten Variablen 122
5.8 Zusammenfassung 121
5.9 Aufgaben 126
6 Koordinatensysteme für Roboter 127
6.1 Position und Orientierung 127
6.2 Koordinatensysteme 129
6.3 Rotationen 131
6.4 Homogene Koordinaten 132
6.5 Bezugssysteme 136
6.6 Zusammenfassung 142
6.7 Aufgaben 143
7 Kinematik der Position 147
7.1 Beziehungen zwischen Gliedern und Gelenken 147
7.1.1 Kinematische Gleichungen des ^ / Manipulators 148
7.1.2 Definition von Koordinatensystemen für Rotationsgelenke
(s. Abb. 7.3) 150
7.1.3 Definitionen von Koordinatensystemen für prismatischeGelenke 152
7.1.4 Berechnung von RTH aus den ^4 Matrizen 154
7.1.5 Kinematische Gleichungen für den Manipulator mit
Gelenkgeometrie 155
7.2 Bestimmung der Orientierung; ein inverses Problem 157
7.2.1 DBN Darstellung der Orientierung 158
7.2.2 Eulersche Winkel 162
7.2.3 Darstellungen der Orientierung 162
7.2.4 Zusammenfassung: Die kinematische Vorwärtstransformation .. 163
7.3 Die Armlösung 164
7.3.1 Lösung für den ö r Manipulator 164
7.3.2 Lösung für einen Manipulator mit Gelenkgeometrie 167
7.4 Rechnerische Probleme der Kinematik 171
7.4.1 Entartungen 171
7.5 Schlußfolgerung 172
7.6 Zusammenfassung 173
7.7 Aufgaben 174
Anhang: Definitionen von Koordinatensystemen für
prismatische Gelenke 175
XVIII Inhalt
8 Differentialbewegungen und die Jacobi Matrix 179
8.1 Differentialbewegung 180
8.2 Die Jacobi Matrix 184
8.2.1 Die Jacobi Matrix des ö r Manipulators 185
8.2.2 Koordinatentransformation für Differentialbewegungen 188
8.2.3 Die Jacobi Matrix eines allgemeinen Manipulators 192
8.3 Die invertierte Jacobi Matrix 200
8.3.1 Numerische Inversion 200
8.3.2 Symbolische Inversion 201
8.3.2 Differenzieren der inversen kinematischen Transformation 202
8.4 Schlußfolgerung 204
8.5 Zusammenfassung 205
8.6 Aufgaben 206
9 Bahnsteuerung 209
9.1 Bahnaufzeichnung 210
9.2 Steuerung nach kartesischen Koordinaten 212
9.2.1 Off line Bahnberechnung 212
9.2.2 Bahnsteuerungspolynome 215
9.2.3 Bahnsteuerungen auf einer vorausberechneten Bahn 220
9.3 Kombinierte Steuerung durch Interpolation 226
9.4 Schlußfolgerung 231
9.5 Zusammenfassung 232
9.6 Aufgaben 233
10 Kinetik 235
10.1 Herleitung der Kinetik 236
10.1.1 Das kinetische Modell des 9 / Manipulators 236
10.1.2 Lagrangesche Kinetik 237
10.2 Kräfte und Drehmomente 240
10.3 Der Schwierigkeitsgrad der Lösung 244
10.4 Verwendung kinetischer 2
10.4.1 Entwurf von Manipulatoren 245
10.4.2 Entwurf des Arbeitsraumes und Planung der Bahn 245
10.4.3 Anwendung der Kinetik bei der Echtzeitsteuerung 2
10.5 Wahl der Servoverstärkungen . 10.6 Schlußfolgerung 248
10.7 Zusammenfassung 249
10.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . 25°
Inhalt XIX
11 Kraftsteuerung und Nachgiebigkeit 251
11.1 Problem der Kraftsteuerung 251
11.2 Umsetzung von Kräften und Drehmomenten 255
11.3 Direkte Kraftmessung 259
11.4 Nachgiebigkeit 261
11.4.1 Aktive Nachgiebigkeit 261
11.4.2 Passive Nachgiebigkeit 261
11.5 Hybridsteuerung 263
11.6 Schlußfolgerung 270
11.7 Zusammenfassung 271
11.8 Aufgaben 272
12 Sensoren 273
12.1 Taktile Sensoren 273
12.2 Näherungssensoren 277
12.2.1 Optische Näherungsmelder 278
12.2.2 Optische Entfernungsmessung durch Reflexion 279
12.2.3 Näherungsensoren nach dem Triangulationsverfahren 281
12.3 Entfernungsmessung mit Ultraschall 283
12.4 Schlußfolgerung 284
12.5 Zusammenfassung 285
12.6 Aufgaben 286
13 Bilderkennung mit Computer 287
13.1 Grundsätzliche Betrachtungen 287
13.1.1 Die Erzeugung eines digitalen Bildes 287
13.1.2 Der Abtastvorgang 290
13.2 Bildverarbeitungsfunktionen 297
13.3 Hardware zur Bilderfassung 300
13.3.1 Der Bildpuffer 300
13.4 Segmentierung 302
13.4.1 Segmentierung durch Schwellenwertbildung 303
13.5 Gestalterkennungsgeräte 309
13.5.1 Charakteristische Merkmale 310
13.6 Verwendung von Gestalterkennungsgeräten 313
13.7 Strukturierte Beleuchtung 316
13.7.1 Silhouettenverfahren 317
13.7.2 Entfernungstriangulation 319
13.7.3 Entfernungssensoren 320
XX Inhalt
13.8 Schlußfolgerung 321
13.9 Zusammenfassung 322
13.10 Aufgaben 324
14 Computerarchitekturen 329
14.1 Schnellere Software 329
14.1.1 Ganzzahlarithmetik 329
14.1.2 Berechnung trigonometrischer Funktionen 331
14.1.3 Matrixoperationen 333
14.2 Berechnungsalternativen: Hardware 334
14.2.1 Der Universalcomputer 334
14.2.2 Verteilung über Verknüpfungen 336
14.2.3 Verteilung nach Funktionen 337
14.2.4 Kundenspezifische Hardware 338
14.3 Kundenhardware aus Standardmodulen 339
14.4 Hierarchische Steuerung 340
14.5 Schlußfolgerung 343
14.6 Zusammenfassung 345
14.7 Aufgaben 345
15 Programmiersprachen für Roboter 347
15.1 Die Hardware Ebene 347
15.2 Die Punktsteuerungsebene 348
15.3 Die Bewegungsebene 350
15.4 Strukturierte Programmierebene 354
15.5 Aufgabenorientierte Ebene 359
15.6 Schlußfolgerung 362
Literatur 363
Register 375
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