Prüfung WS 2006/07. Robotik

Transkript

1 Prüfung WS 26/7 Robotik Anmerkungen: Aufgabenblätter auf Vollständigkeit überprüfen Nur Blätter mit Namen und Matr.Nr. werden korrigiert. Keine rote Farbe verwenden. Zu jeder Lösung Aufgabennummer angeben. Bitte haben Sie dafür Verständnis, dass wegen des Datenschutzes keinerlei telefonische Auskünfte gegeben werden! Aufgabe max. Punkte Summe 3 Prüfer Note erreichte Punkte Anmerkungen WS 26/7 1 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

2 Aufgabe 1 3 P Wozu werden Industrieroboter aktuell eingesetzt? Welche zukünftigen Einsatzfelder sind denkbar? Welche Anforderungen ergeben sich aus den zukünftigen Einsatzgebieten? Aufgabe 2 5 P Ein neuer Telemanipulator soll für die gefährliche Arbeit, dem Zurückschneiden von Bäumen in Parkanlagen, entwickelt werden. Die Hand soll mit einer Motorsäge ausgestattet werden. Wie viele Freiheitsgrade sind für die Erfüllung dieser Aufgabe mindestens erforderlich? Welchen Nutzen bringen zusätzliche Freiheitsgrade? Welche Arten der Steuerung der Roboterhand sind sinnvoll (Warum)? Aufgabe 3 6 P Gegeben ist folgende Transformationsformel: r x r = x; zur Transformation von Koordinatensystem 1 in das Koordinatensystem 2. Skizzieren sie die Lage der beiden Koordinatensystem zueinander! WS 26/7 2 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

3 Aufgabe 4 8P Geben Sie die Denavit-Hartenberg-Parameter für folgende Koordinatensysteme an! Alle Koordinatensysteme liegen in einer Ebene. z 1 z 2 z z 3 Aufgabe 5 8P Geben Sie für die gezeigte Stellung des Kuka-Roboters die Jacobi-Matrix für die ersten drei Achsen des Roboters und den Weltkoordinaten der Hand an! Geben Sie dabei nur an, welche Einträge fast gleich Null sind und welches Vorzeichen die anderen Werte haben! WS 26/7 3 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

4 Zusatzfragen für 6 min-prüfung: Aufgabe 6 2P Ein zusätzlicher Rechner soll für einen Roboter in einer Arbeitszelle Kollisionen vermeiden, indem diese bei Fast -Kollisionen die Geschwindigkeit reduziert und kurz vor der Kollision den Roboter anhält. Erstellen Sie ein Konzept für ein solches System! Achten Sie u. a. darauf: Welche Daten müssen mit der Robotersteuerung ständig ausgetauscht werden? Welche Information benötigt ein solches System über die Roboterzelle? Wie könnte die Software zur Kollisionsuntersuchung prinzipiell aufgebaut sein? Aufgabe 7 5 P Nennen Sie verschiedene Methoden zur Roboterprogrammierung und erläutern Sie die jeweiligen Vor- und Nachteile! Aufgabe 8 5 P Nennen Sie die Bestandteile eines Industrieroboters! Welche müssen den verschiedenen Traglasten angepasst werden? WS 26/7 4 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

5 Kurzlösung: Aufgabe 1: Aktuell werden Roboter eingesetzt zum: Mögliche zukünftige Einsatzmöglichkeiten sind: Montage (dies macht Sensoren mit komplexer feinfühliger Sensorik erforderlich) Griff in die Kiste (Erkennen dreidimensionaler Objekte. Dies ist immer noch eine große Herausforderung an Bildverarbeitung und Künstliche Intelligenz) Erntehelfer (Erkennen von Objekten, Schnelligkeit, Robustheit, feinfühliges Greifen) Hand in Hand Arbeit mit Menschen (Sehr zuverlässige Kollisionsvermeidung) Aufgabe 2: Der Telemanipulator benötigt mindestens 5 Freiheitsgrade, da Äste für das Schneiden rotationssymetrisch sind. Zumindest ein zusätzlicher Freiheitsgrad ist jedoch erforderlich, da ein Ast nicht aus jeder Position heraus abgesägt werden kann. Weitere Freiheitsgrade können genutzt werden, um Kollisionen der Ausleger mit dem Träger zu vermeiden. Die beiden weiteren Freiheitsgrade, der in der Ebene möglichst frei bewegliche Plattform (auf Rädern) erhöht den Arbeitsraum des Telemanipulators. Ein Telemanipulator ist kein echter Roboter und wird per Definition von Hand gesteuert. Die Steuerung des Telemanipulators sollte in Achs, Welt- und Handkoordinaten möglich sein. Die Achskoordinaten ermöglichen die anschauliche Bewegung der einzelnen Achsen insbesondere bei Kollisionsgefahr, die Weltkoordinaten dienen zur Grobpositionierung, die Handkoordinaten ermöglichen die Feinpositionierung der Säge im Geäst. WS 26/7 5 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

6 Moderne Forstmaschine, jedoch mit weniger Freiheitsgraden Aufgabe 3: y 2 x 1 y 1 z 2 x 2 z 1 Das Koordinatensystem 1 bildet kein Rechtssystem (Rechte-Hand-Regel) WS 26/7 6 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

7 Aufgabe 4: y 2 z 1 z 2 x 1 x 2 z y 1 z 3 y y 3 x 3 x theta d 2 a alpha -9-9 WS 26/7 7 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

8 Aufgabe 5: Die Jacobi-Matrix für die Position ist: Θ 1 Θ 2 Θ 3 x D y D D z -D -D Die Lösung ergibt sich einfach, indem man an den einzelnen Achsen 1-3 in der aktuellen Position wackelt und sich die Bewegung der Hand in Weltkoordinaten anschaut. Man beachte hierbei, dass die Achse 3 und die Hand in z-richtung verschoben sind. WS 26/7 8 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

9 Wer es genauer wissen will (war aber nicht gefragt): Eine Möglichkeit die DH-Parameter für den KR6/2 zu wählen ist: theta d a Alpha 1 -q1 d1 a1-9 2 q2 a2 3 q3-9 a q4 d4 9 5 q q6 d6 Die Vorzeichen für die Achsen und die Offsetwerte sind erforderlich, damit die Achsedefinition mit dem tatsächlichen Achsewerten am Roboter übereinstimmen?!?. Die exakte Jacobi-Matrix für die Position ist: Θ 1 Θ 2 Θ 3 x a1+d4+d6 y a2+a3 a3 z -d4-d6 -d4-d6 WS 26/7 9 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

10 Die Herleitung der genauen Werte ist anschaulich noch möglich, indem man die einzelnen rechtwinkligen Dreiecke betrachtet. Die Berechnung mit Hilfe von Mathematica wird nachfolgend gezeigt: Wie man erkennt, stimmt die Abschätzung mit den berechneten Werten überein! WS 26/7 1 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

11 Aufgabe 6: Für die Kollisionsvermeidung wird ein externer Rechner verwendet. Dies hat den Vorteil, dass bei Störungen des Steuerrechners die Kollisionserkennung weiter erfolgen kann. Auch wird der Steuerrechner nicht durch die evtl. erforderlichen komplexen Rechnungen für die Kollisionserkennung belastet. Die Kollisionsvermeidung erfolgt mit Hilfe eines Programms, das den Abstand der kollisionsgefährdeten Objekte berechnet und beim Unterschreiten einer Schwelle eine Warnung ausgibt, die Geschwindigkeit reduziert bzw. den Roboter ganz anhält. Zur Kollisionsuntersuchung müssen alle beweglichen Achsen, also auch Drehtische usw. betrachtet werden. Um den Aufwand für die Berechnung zu reduzieren, muss angegeben, werden zwischen welchen Objekten überhaupt eine Kollisionsuntersuchung erforderlich ist. Auch werden um die Körper geeignete vereinfachte Hüllkörper gelegt, die sich relativ einfach auf Kollision prüfen lassen. Tritt bei diesen Hüllkörpern keine Kollision auf, dann braucht keine detaillierte Untersuchung durchgeführt werden. Die Berechnung von Kollisionen zwischen nichtkonvexen Körpern (Körpern mit Einbuchtungen) ist besonders aufwendig. Die Kollisionserkennung benötigt zumindest die aktuelle Position der einzelnen beweglichen Achsen. Umgekehrt muss die Kollisionsvermeidung den Roboter abbremsen bzw. ganz anhalten können. Die geometrischen Daten aller Objekte, bei denen eine mögliche Kollision auftreten kann, müssen bekannt sein. Als Softwarestruktur bietet sich eine objektorientierte Struktur an, wobei die Objekte die einzelnen Körper darstellen. Zur Berechnung des Abstandes zwischen den Objekten werden dynamische Listen geführt, die je nach aktueller Position unterschiedliche Objekte enthalten. WS 26/7 11 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf

12 Aufgabe 7: Die Online-Programmierung hat den Nachteil, dass ein Roboter benötigt wird und die Produktion evtl. gestört wird. Der Vorteil liegt in der hohen Anschaulichkeit und der Möglichkeit die Programme in der echten Umgebung zu testen. Die Offline-Programmierung verursacht durch die meist teure Software und erforderliche Schulen erst mal hohe Kosten. Sie bietet jedoch den Vorteil, dass die Programmierung in Ruhe am Schreibtisch und ohne Gefahr durchgeführt werden kann. Aufgabe 8: Die von der Traglast und dem Arbeitsraum abhängigen Bestandteile sind Der eigentliche Roboter, die Leistungsteile der Steuerung, der Schutzzaun, Konfigurationsdateien in der Software Unabhängig von der Traglast sind: Der Steuerrechner, die Software, das Bedienpanel. WS 26/7 12 Prof. Dr.-Ing. K. Wöllhaf