Einführung in die Robotik

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1 Einführung in die Robotik Vorlesung 3 28 Oktober 2008 Dr. Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik WS 2008/2009

2 Wiederholung vom letzten Mal!

3 Wiederholung vom letzten Mal! Übersicht Mobile Robot Digital Rechner Physikalische Größen Sensoren Aktoren Kräfte oder Bewegungen

4 Wiederholung vom letzten Mal! Mit Hilfe von Sensoren kann ein Roboter Informationen aus seiner Umgebung aufnehmen. Physikalisches Signal Sensor Elektrisches Signal Definition Ein Sensor empfängt ein physikalisches Signal und reagiert darauf mit einem elektrischen Ausgangssignal.

5 Wiederholung vom letzten Mal! Berührungssensor (an/aus) Bumper Widerstandssensoren Potentiometer Temperatur Sensor Optische Sensoren (Photo-Diod & Photo-Transistor) Radencoder Abstandsensor

6 Wiederholung vom letzten Mal! Abstandssensoren Ein Abstandssensor (auch Distanzsensor) ist in der Lage, berührungslos den Abstand zwischen sich und einem Objekt zu messen. Sender Hindernis Empfänger Die Daten von Abstandssensoren eignen sich zur Hindernisvermeidung sowie zur Extraktion eines Models der Umgebung, was zur Navigation genutzt werden kann.

7 Wiederholung vom letzten Mal! Inkrementeller Radencoder Mit Einkanal-Drehimpulsgeber keine Drehrichtungserkennung Infrarot Sender Empfänger Der Mehrkanal-drehimpulsgeber hat ein eine Nullstellung, und kann die Drehrichtung erkennen.

8 Signalverarbeitungskette Digital Rechner A/D Wandler D/A Wandler Sensoren Physikalische Größen Verstärker Elektrische Energie Energiewandler Mechanische Energie Prozess (Bewegung)

9 Analog - Digital Wandlung Sensorsignale müssen in eine digitale Repräsentation überführt werden. Dafür nutzt man ein Analog - Digital Wandler

10 Analog - Digital Wandlung Analog Signal Abtastung Quantisierung Codierung Digital Signal

11 Analog - Digital Wandlung Analog Signal A/D Digital Signal I. Vorbearbeitung des Signals Amplitude man muss wissen, in welchem Amplitudenbereich sich das Signal maximal bewegt. Damit das Signal im digitalen verfügbaren Bereich möglichst gut ausgenutzt wird. Frequenz Man muss wissen, in welchem Frequenzbereich sich das Signal bewegt. Theorem von SHANNON (später an die Tafel!)

12 Analog - Digital Wandlung II. Abtastung Nach der Vorbearbeitung wird das Signal mit Hilfe eines Abtasters zu bestimmten Zeitpunkten abgetastet. Eingangsignal Ausgangsignal Abtaster geöffnet (Halten) Abtaster Abtaster geschlossen (Folgen)

13 Analog - Digital Wandlung Abtastung Eingangsignal Ausgangsignal Sampling- Takt T 2T 3T

14 Analog - Digital Wandlung III. Quantisierung Die Spannungswerte im Moment der Abtastung werden in einen Zahlenwert umgewandelt. Spannung t

15 Analog - Digital Wandlung IV. Codieren T 2T 3T

16 Analog - Digital Wandlung Shannon-Abtasttheorem Ein kontinuierliches, bandbegrenztes Signal, mit einer Maximalfrequenz f muss mit einer Frequenz abtast abgetastet werden, damit man aus dem so erhaltenen zeitdiskreten Signal das Ursprungssignal ohne Informationsverlust rekonstruieren kann. wobei f >= 2 abtast f max

17 Aktoren

18 Einführung Signalverarbeitungskette Digital Rechner A/D Wandler D/A Wandler Sensoren Physikalische Größen Verstärker Elektrische Energie Energiewandler Mechanische Energie Prozess (Bewegung)

19 Einführung Signalverarbeitungskette Digital Rechner A/D Wandler D/A Wandler Sensoren Physikalische Größen Verstärker Elektrische Energie Energiewandler Mechanische Energie Prozess (Bewegung)

20 Aktoren Während Sensoren eine physikalische Größe in elektrischen Signal umwandeln, machen Aktoren (Aktuatoren) genau das Gegenteil und wandeln elektrische Signale in eine andere Energieform um. Elektrisches Signal Aktor Mechanische Arbeit

21 Aktoren Es gibt hauptsächlich drei Arten, elektrische Signale in mechanische Arbeit umzusetzen: 1. Pneumatik 2. Hydraulik 3. Elektrik. Beim Mobilen Roboter werden am häufigsten Elektromotoren als Antriebselemente eingesetzt. Ein mobiler Roboter besitzt insbesondere Aktoren (Z. b. Räder, Beine, oder Ketten) zur Veränderung seiner Position in seiner Umgebung.

22 Aktoren Beine, und Ketten ermöglichen eine sehr flexible Fortbewegung auf eine Gelände. Skorpion - NASA - Uni Bremen Mit Rädern kann ein Roboter auf glattem Untergrund höhere Geschwindigkeiten erreichen. VolksBot IAIS-Fhg St-Augustin

23 Aktoren Motoren Auf dem Roboter werden häufig Getriebemotoren (DC motors) eingesetzt. DC Motor Zuerst schließt man die Spannungsquelle an, und je Höhe die Spannung, desto schneller dreht sich der Motor.

24 Aktoren Motoren Motorsteuerung Um die Geschwindigkeit des Motors zu regulieren, muss man Die Pulsweitenmodulation (engl. Pulse Width Modulation, abgekürzt PWM) nutzen. Pulsweitenmodulation Bei der PWM wird die Ein- und Ausschaltzeit eines Rechtecksignals bei fester Grundfrequenz variiert. Je länger die Einschaltdauer, desto schneller dreht sich der Motor.

25 Aktoren Motoren Pulsweitenmodulation (Siehe die Tafel)

26 Aktoren Motoren Motorsteuerung Ein Motor kann nicht direkt durch einen Mikroprozessor angetrieben werden, da dieser nicht genügend Strom liefert. Stattdessen muss eine Verbindungsschaltung aufgebaut werden, so dass die Energie für den Motor von einer anderen Spannungsquelle kommt und der Mikroprozessor nur die Steuersignale sendet.

27 Aktoren Motoren Motorsteuerung mit H-Brücke

28 Antriebskonzepte Ein mobiler Roboter besitzt insbesondere Aktoren (z. b. Räder, Beine, oder Ketten) zur Veränderung seiner Position in seiner Umgebung.

29 Antriebskonzepte Differentialantrieb Dieses besteht aus zwei angetriebene Räder auf einer Achse mit einem oder zwei passiv mitlaufenden Stützrädern, die sich frei drehen können. Der Roboter bewegt sich bei konstanten Radgeschwindigkeiten auf einer Kreisbahn mit dem Radius r um ein Drehzentrum ICC (InstantaneousCenter of Curvature) zwei angetriebene Räder Stützrädern

30 Antriebskonzepte Differentialantrieb Die beiden Antriebsräder liegen auf derselben Achse und werden getrennt angetrieben. Mit Rädern kann ein Roboter auf glattem Untergrund höhere Geschwindigkeiten erreichen.

31 Antriebskonzepte Differentialantrieb Einfache Konstruktion Einfache Steuerung Auf der Stelle drehbar Hohes Moment für Kurvenfahrt Schwierige Positionsbestimmung Sehr starke Reibung auf dem Boden

32 Antriebskonzepte Dreiradantrieb Der mobile Roboter ist mit 2 angetriebenen Räder und ein gelenkten Rad ausgestattet die verlängerten Achsschenkel aller Räder müssen in einem Mittelpunkt (ICC: InstantaneousCenter of Curvature) schneiden. Der Roboter bewegt sich dann bei konstanten Radgeschwindigkeiten auf einer Kreisbahn mit dem Radius r um ein Drehzentrum ICC.

33 Antriebskonzepte Dreiradantrieb Beispiel

34 Antriebskonzepte Dreiradantrieb Sehr gute Spurtreue Der Roboter kann nicht auf der Stelle drehen. Aufwändige Konstruktion

35 Antriebskonzepte Ackermannlenkung Beim Lenken werden die vorderen Räder um den gleichen Winkel eingelenkt. Bei PKW und LKW wird das innere Rad stärker gelenkt als das äußere Rad. Dies ist notwendig um sich die verlängerten Achsschenkel aller Räder in einem Mittelpunkt (ICC) zu schneiden. Damit haben die Räder den geringsten Rollwiderstand. ICC

36 Antriebskonzepte Ackermannlenkung Der mobile Roboter hat eine Lenkung wie die von Autos bekannte Lenkung.

37 Antriebskonzepte SynchroDrive Drei oder mehr angetriebene Räder werden synchron gelenkt

38 Antriebskonzepte SynchroDrive Beispiel

39 Antriebskonzepte Omnidirectional Unter Verwendung von drei (manchmal auch 4) angetriebenen so genannten Allseitenräder (auch Omni-Wheels, Mecanum-Räder) ist der Roboter in der Lage sein, sich in alle Richtungen zu bewegen ohne sich vorher Drehen zu müssen. Allseitenrad (Omniwheel) Mecanum-Rad

40 Antriebskonzepte Omnidirectional Hardware Omnidrive Chassis.

41 Antriebskonzepte Omnidirectional Vierrad mit Mecanum-Rädern

42 Dr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm) Vorlesung 3. WS 08/09

43 Antriebskonzepte Beispiel: Omnidirectional Assistenzroboter (Universität Bundeswehr München) Omni-Rollstuhl der FernUniversität Hagen

44 Antriebskonzepte Omnidirectional Beweglichkeit Ebene Oberflächen Keine aktive Lenkung

45 Antriebskonzepte Differentialantrieb- Kettenantrieb Hier wird der Roboter nicht von Rädern, sondern, wie ein Panzer, von zwei Ketten angetrieben. Das Prinzip ist analog zum Differentialantrieb.

46 Antriebskonzepte Laufmaschinen

47 Antriebskonzepte Laufmaschinen Sehr flexible Fortbewegung auf eine Gelände. Kompliziert zu bauen Energieversorgung schwierig. Kompliziert zu steuern.

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