Robotik. Robotik Wintersemester Kapitel 4 : Vorwärtsrechnung. Angew. Mathematik (B.Sc. + M.Sc.)

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1 Wesbaden Unverst of Appled Scences LV Robotk 5 Credts Angew. Mathematk (B.Sc. + M.Sc.) Wntersemester 25 Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] Wesbaden Unverst of Appled Scences Hochschule RhenMan Fachberech Desgn, Informatk, Meden Angewandte Mathematk (B.Sc. und M.Sc.) Robotk Wntersemester 25 Kaptel 4 Vorwärtsrechnung Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda]

2 Wesbaden Unverst of Appled Scences De Abbldungen n deser Zusammenstellung snd jewels urheberrechtlch geschütt. Se dürfen daher nur m Zusammenhang mt der Lehrveranstaltung Enführung n de Robotk nnerhalb der Hochschule RhenMan verwendet werden. De Abbldungen snd ncht um Selbststudum geegnet. Ene wetere Verwendung, Wetergabe oder Vervelfältgung deser Abbldungen st ncht gestattet. Ene ncht autorserte Verwendung, Wetergabe oder Vervelfältgung verstößt gegen das Urheberrechtsgeset. Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung 4. Denavt-Hartenberg-Notaton 4.2 Berechnung der Transformatonsmatren - M 4.3 Handflansch 4.3. Poston Orenterung Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] 2

3 Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton (A knematc notaton for lower-par mechansm based on matrces, ASME J. Appled Mechancs, 955, S ) Modellerung von Roboterarmen nach Denavt-Hartenberg Formalsmus ur enfachen Beschrebung der mathematschen Zusammenhänge [ Ncht endeutge ] Festlegung der Koordnatenssteme ur Beschrebung der Bewegungen der enelnen Armtele Notaton Der Armtel () hat de Gelenke (-) und (). Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton, Regel Modellerung der Roboterarme nach Denavt-Hartenberg (-) Armtel um Armtel um Handflansch a. Im Armtel () legt de - -Achse m Gelenk (-) und de -Achse m Gelenk (). b. Alle -Achsen können we entgegengesette Rchtungen annehmen. c. Be parallelen - - und -Achsen st der Ursprung von, und ncht festgelegt. Man legt hn n de Smmetreebene. Achsdefnton.dsf Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] 3

4 Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton, Regeln 2 und 3 (-) 2. De -Achse legt auf dem gemensamen Lot der - - und der - Achse und egt von der - -Achse weg. Armtel um Armtel um Handflansch 3. De -Achse ergänt de - und - Achsen u enem rechtshändgen Koordnatensstem. Achsdefnton.dsf Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton Folgende Fälle snd ncht defnert und nach praktschen Geschtspunkten fre wählbar. Alle -Achsen können we entgegengesette Rchtungen annehmen. (Regel b) 2. De o -Achse st stets fre wählbar. Man legt se n de Vorwärtsrchtung des Roboters. 3. Schneden sch de - - und de -Achse n enem Punkt, so kann de -Achse n desem Punkt senkrecht auf der - - und der -Achse we entgegengesette Rchtungen annehmen. 4. Be parallelen - - und -Achsen st der Ursprung von, und ncht festgelegt. Man legt hn n de Smmetreebene des Roboters. (Regel c) 5. Lneargelenke werden mt hrer Achse we Torsonsgelenke behandelt. Allerdngs st kene varable Drehung um de -Achse möglch. De, -Ebene kann fre gewählt werden. Man legt se.a. n de Smmetreebene der Armtele (c). Zu beachten st der Punkt Der Ursprung des Werkeugkoordnatensstems legt auf der Achse n der Greferflanschebene, pos. -Achse nach vorne, -Achse n Bewegungsrchtung der Greferbacken, -Achse n der Ebene wschen den Greferbacken als Rechtssstem. (Aufgabe 4., nachfolgend 4.2) Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] 4

5 Wesbaden Unverst of Handflansch Appled Scences Armtel 6 K 6 Armtel 5 4, (Ptch) (Roll) Armtel 4 Achse4 (Twst) Armtel Armtel 2 (Elbow) Grundstellung Wnkelstellung theta 3 = Lösung ur Aufgabe 4. ( Shoulder ) Armtel Achse ( Wast ) Armtel Prof. Dr. D. Rchter o Robot9-4 Farbe mt Koord.dsf Department [Desgn>Computer Scence>Meda] o Armtel 6 Wesbaden Unverst Handflansch of Appled Scences Armtel 5 4, (Ptch) (Roll) Defnton der (allerdngs phskalsch ncht realserbaren) Grundstellung. Der Roboter egt senkrecht nach oben. Armtel 4 Armtel 3 Achse4 (Twst) Armtel Achse ( Wast ) Armtel Prof. Dr. D. Rchter o 2 Armtel 2 2 (Elbow) Grundstellung Wnkelstellung theta 3 = ( Shoulder ) Robot9-4 Farbe mt Koord.dsf Besonderheten der Torsonsgelenke, Defntonen be Mehrdeutgketen K legt m Armtel ( Montageebene ), legt n vorwärts -Rchtung. K 3 legt ncht n der Trennebene wschen Armtel 3 und Armtel 4, sondern auf 2. De Poston der Trennebene st unerheblch. K 4 Rchtung von 4 st wedeutg, her wrd 4 nach lnks gewählt. K 5 legt auf K 4. 4 und 5 snd dentsch gewählt. K 6 legt auf dem Handflansch Alle Koordnatenursprünge legen n ener Ebene. Alle Drehwnkel snd n Nullgradstellung. Department [Desgn>Computer Scence>Meda] o 5

6 Achse 4 Wesbaden Unverst of Appled Scences Handflansch Armtel 3 Armtel 4 Armtel 5 Aufgabe 4.2 Armtel 2 Achse Da de Grundstellung für den Robotertp RV-E2 phskalsch ncht enstellbar st, werden de Bauenheten {Armtele 3, 4 und 5} um de { -Achse} um +9 gedreht. Man verwendet daher ene Ausgangsstellung, be der 3 = +9 beträgt. Armtel Achse Übertragen Se de Koordnatenssteme der Grundstellung aus Aufgabe 4. n de Ausgangsstellung. Armtel Prof. Dr. D. Rchter Robot9-3 Farbe.dsf Department [Desgn>Computer Scence>Meda] Wesbaden Unverst of Appled Scences 3 Achse 4 ( Twst ) Armtel 3 4, 5 Armtel 4 Armtel 5 4 ( Ptch ) 4 Armtel 6 (Handflansch) K tool 6 5 4, ( Elbow ) 5 ( Roll ) 6 In der Grundstellung steht Armtel 3 senkrecht nach oben. Es glt 3 = 5...7, daher wrd 3 = 9 als Ausgangsstellung gewählt. Armtel 2 ( Shoulder ) Lösung ur Aufgabe 4.2 Armtel Armtel Prof. Dr. D. Rchter o o Achse ( Wast ) Robot9- ohne Hlfsl.dsf Department [Desgn>Computer Scence>Meda] 6

7 Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton Um enen defnerten raumfesten Punkt P(u,v,w) aus dem Koordnatensstem K m Koordnatensstem K - u beschreben, kann man das Koordnatensstem K m Koordnatensstem K - defneren. Be der Defnton der Koordnatenssteme nach Denavt-Hartenberg können deren Ursprünge gegensetg nur Verschebungen n -Rchtung des Koordnatensstems K - (Komponenten d ) und/oder n -Rchtung des Koordnatensstems K (Komponenten a ) aufwesen. De Koordnatenssteme snd so defnert, dass das Kommutatvgeset glt. (Aufgabe 4.3) Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] Wesbaden Unverst of Appled Scences Achse 4 ( Twst ) Armtel 3 4, 5 Armtel 4 Armtel 5 4 ( Ptch ) 4 Armtel 6 (Handflansch) K tool 6 Aufgabe 4.3 In der Grundstellung steht Armtel 3 senkrecht nach oben. Es glt 3 = 5...7, daher wrd 3 = 9 als Ausgangsstellung gewählt. 2 Armtel ( Elbow ) ( Shoulder ) 4, 5 5 ( Roll ) 6 6 Zechnen Se de Denavt- Hartenberg-Parameter d und a n de Zechnung en. Beachten Se, dass de Parameter d bw. a de Poston des Ursprungs des Koordnatensstems K m Koordnatensstem K - beschreben. Armtel Armtel Prof. Dr. D. Rchter o o Achse ( Wast ) Robot9- ohne Hlfsl.dsf Dadurch kann en fester Punkt P m Koordnatensstem K - dargestellt werden. Department [Desgn>Computer Scence>Meda] 7

8 Wesbaden Unverst of Appled Scences Achse 4 4, 5 4 K tool 4 6 a3 2 2 d4 5 4,5 d6 5 6 dtool a2 a Lösung ur Aufgabe 4.3 d Achse Prof. Dr. D. Rchter o o Robot9-D-H-Param.dsf Department [Desgn>Computer Scence>Meda] Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton, Regeln 4 Durch de gewählte Konventon lässt sch das jewelge Koordnatensstem K - n das Koordnatensstem K nach folgenden Regeln überführen 4.. Drehung des Koordnatensstem K - um de - -Achse um den Wnkel, bs de - - und de -Achse parallel verlaufen Verschebung des Koordnatensstem K - längs der - -Achse um de Strecke d, bs sch bede -Achsen decken Verschebung des Koordnatensstem K - längs der -Achse um de Strecke a, bs sch de Koordnatenursprünge decken Drehung des Koordnatensstem K - um de - -Achse um den Wnkel α, bs sch de Koordnatenssteme decken. Gemäß Gl.(8) snd de Operatonen und 2 bw. 3 und 4 snngemäß vertauschbar, jedoch snd de kombnerten Operatonen ( 2) und (3 4) ncht vertauschbar. Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] 8

9 Armtel 6 Armtel 5 Armtel 4 Achse4 (Twst) Armtel 3 Handflansch Armtel Achse ( Wast ) Armtel (Ptch) (Roll) (Elbow) Armtel 2 ( Shoulder ) Robot9-4 Farbe ohne Hlfsl.dsf Armtel Armtel Armtel 3 Armtel 2 Achse Armtel 4 Armtel 5 Ac hse 2 Achse Achse 4 Ac hse 5 Robot9-3 Farbe.dsf Handflansch Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton Der Wnkel, de Rotaton des Armtels um de -Achse gegenüber dem Armtel, besteht aus we Antelen de varable Drehung um den Wnkel um de -Achse und de feste Drehung des Koordnatensstems aus der Grundstellung um den Wnkel Δ. Es glt + Δ. Im vorlegenden Fall glt Δ =. De ver Parameter, d, a, und α beechnet man als Denavt-Hartenberg - Parameter. Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton Für den konkreten Fall der Überführung K K bestmmt man de Wnkel und α aus der Festlegung der Koordnatenssteme, de Verschebungen d und a entnmmt man den Herstellerangaben. Es glt für de Grundstellung und für de Ausgangsstellung = varabel d = 35 mm a = mm. α = -9 ( Rotaton von K um de -Achse n neg. Rchtung ) Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] 9

10 Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton Trägt man de Denavt-Hartenberg - Parameter für de Transformaton K K n ene Tabelle, so erhält man Beechnung der Achsen = Achse Transformaton K K d 35 mm a mm α -9 (Aufgabe 4.4) Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton Übungsaufgabe 4.4 (a) Berechnen Se vor den weteren Aufgaben ene allgemene Transformatonsmatr - M, de Se für alle weteren Matren unter Verwendung der entsprechenden D-H-Parameter anwenden können. (b) Berechnen Se de Matr M, de enen raumfesten Punkt P(,, ) aus dem Koordnatensstem K n das Koordnatensstem K als Punkt P(,, ) überführt. Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda]

11 Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton M d sn a sn *sn * sn a *sn sn * sn ) ( ) sn( ) - sn( ) ( a d sn sn Allgemene Lösung ur Aufg. 4.4 (a) Transformatonsmatr K K Prof. Dr. D. Rchter Department [Desgn>Computer Scence>Meda] Wesbaden Unverst of Appled Scences 4. Vorwärtsrechnung, 4. Denavt-Hartenberg-Notaton Lösung ur Aufg. 4.4(b) Für de Transformatonsmatr K K glt mt den Werten aus der Tabelle der Denavt Hartenberg-Parameter Gl.(2) 35 *sn sn * - sn sn sn sn sn sn sn sn M mm mm mm d a a

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