Konstruktion und Regelung eines dreiachsigen elastischen Roboters

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Hartmut Hochberg
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1 Universität Dortmund Projektgruppe Wintersemester (2007/08) Konstruktion und Regelung eines dreiachsigen elastischen Roboters Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Regelungssystemtechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Torsten Bertram

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für

2 Motivation Reduzierung der Fertigungs- und Betriebskosten Inhärente Sicherheit bei der Interaktion mit dem Benutzer Erhöhung der Mobilität und Flexibilität Erforschung neuer Regelungskonzepte

3 Agenda Überblick Gesamtprojekt Definition der Arbeitspakete Integration der Teilprojekte Zeitliche Planung Arbeitsorganisation

4 Forschungsschwerpunkte der Betreuer René Franke, Raum P , Durchwahl 3762 Robotermodellierung und -simulation Leichtbaurobotik (Modellierung, Simulation, Regelung) Elastizitätserfassung mit FBG-Sensoren Mykhaylo Ruderman, Raum P , Durchwahl 3762 Nichtlineare Effekte in Robotergelenken (Reibung, Backlash, Elastizität) Robotermodellierung und -simulation Harmonic Drive Transmission (Übertragungsgenauigkeit) Thomas Nierobisch, Raum P , Durchwahl 2745 Bildgestützte und bildbasierte Navigation autonomer Roboter Bildbasierte Regelung Verhaltensbasierte Robotik Dr. rer. nat. Frank Hoffmann, Raum P , Durchwahl 3998 Robotik Verhaltensbasierte Robotik Maschinelles lernen Bildverarbeitung Optimierung technischer Systeme

-simulation Harmonic Drive Transmission (Übertragungsgenauigkeit) Thomas Nierobisch, Raum P2-04-516, Durchwahl 2745 Bildgestützte und bildbasierte Navigation autonomer Roboter

5 Systemintegrierten Sensornetzwerkes Erfassung der Achsfehlstellungen mit hochpräzisen Winkelencodern Messung der Verformungen mit FBG-Sensoren 10 mm Kleber Gitter Faser

6 Bildbasierte Manipulation von natürlichen Objekten

7 Vorhandenes Experimentalsystems 1 DOF ohne Regler mit Regler

8 Vorhandenes Experimentalsystem Dehnungssignal des ersten DMS und dessen Spektrum: Rayleigh-Dämpfung: δ ω t a = a e δ n ( δ 1, Exp. n,0 1, Modell = 0,0017 = 0,0013) Eigenfrequenz: ω = 6,23 Hz ( ω ( ω 1, Exp. 1, Modell 1, Entwurf = 6,5 Hz) = 6,6 Hz)

9 Modellierung in VRML und EGT

10 Agenda Überblick Gesamtprojekt Definition der Arbeitspakete Integration der Teilprojekte Zeitliche Planung Arbeitsorganisation

11 Aufbau Leichtbauarm Motor/Getriebe Drehgelenke Bodenplatte Arme

12 Aufbau Leichtbauarm 3 DOF elastisch A2 Getriebe A3 Motor A1 Encoder

13 Auswahl der mechanischen/elektrischen Komponenten Planetengetriebe: Maximales Dauerdrehmoment τ D = 10 Nm Übersetzungsverhältnis i = 134 Bürstenloser DC-Servomotor: Drehmoment konstante k = 20,12 mnm Maximaler Ankerstrom I A, max = 8 A Servoverstärker mit integrierter PD-Stromregelung: Maximaler Ausgangsstrom I = 8 A a,max [ ] Sollvorgabe U I ± 5 V soll soll i

Drehmoment konstante k = 20,12 mnm Maximaler Ankerstrom I A, max = 8 A Servoverstärker mit

14 Sensorapplikation Drehwinkelencoder Komponenten der AWE: Schmitt-Trigger zur Flankendetektion D-Flip-Flop zu Bestimmung der Drehrichtung 5 kaskadierte 4 Bit Up/Down Zähler Ausgelegt für drei Inkrementalwinkelgeber

zu Bestimmung der Drehrichtung 5 kaskadierte 4 Bit

15 Sensorapplikationen Dehnungsmessung Dehnungsmessstreifen (DMS): Faser-Bragg-Gitter (FBG): Intensität Eingangsspektrum Fasermantel Faserkern Intensität Reflexionsspektrum FBG Intensität Transmissionsspektrum 2 U M ε DMS = k U D ( 1 p eff ) ( ( 1 p ) ) 2 1 ε = λ ξ + α Δ T FBG B eff SiO λ B 0

Faserkern Intensität Reflexionsspektrum FBG Intensität

16 Auswertung FBG-Sensorik LED-Spektrum gemessenes Reflexionsspektrum normalisiertes Reflexionsspektrum Spektrale Auswerteelektronik Auswertung

17 Agenda Überblick Gesamtprojekt Definition der Arbeitspakete Integration der Teilprojekte Zeitliche Planung Arbeitsorganisation

18 Arbeitspakete / Gruppen G1 1. Modellierung des Antriebes und Planetengetriebes 2. Design der einzelnen Achsregler G2 1. Modellierung der Kinematik unter Berücksichtigung der Elastizitäten der Armkörper (FEA-Ansatz) 2. Design von Reglern zur Schwingungsdämpfung G3 1. Modellierung der Kinematik unter Berücksichtigung der Elastizitäten der Armkörper (Lumped-Parameter-Ansatz) 2. Umsetzung der differentiellen Kinematik G4 1. Konstruktion und Aufbau des Experimentalsystems 2. Schaffung einer Echtzeitumgebung mit XPCTarget

Design von Reglern zur Schwingungsdämpfung G3 1.

19 G1 Modellierung des Antriebes und Planetengetriebes 1. Modellierung des DC-Motors mit Simulink 2. Modellierung des Getriebes mit SimMechanics 3. Bestimmung aller nötigen Parameter 4. Erprobung und Verifikation Modellierung

Modellierung des Getriebes mit SimMechanics 3.

20 G1 Design der einzelnen Achsregler 1. Design eines Geschwindigkeits- / Positions-regler 2. Validierung und Verifikation am Modell 3. Anpassung der Regler für das Experimentalsystem

21 G2 Modellierung der Kinematik unter Berücksichtigung der Elastizitäten der Armkörper (FEA-Ansatz) 1. Modellierung der Kinematik und Dynamik unter SimMechanics 2. Berücksichtigung der Elastizitäten 3. Bestimmung aller nötigen Parameter 4. Untersuchung der Echtzeitfähigkeit des gewählten Modellansatzes

22 G2 Design von Reglern zur Schwingungsdämpfung 1. Auswahl unterschiedlicher Regelungskonzepte zur Schwingungsdämpfung 2. Umsetzung dieser Konzepte unter Matlab / Simulink 3. Erprobung und Verifikation am Modell sowie am Experimentalsystem τ FD EI larm () t = εdms,1() t y l l 0 Arm DMS,1

23 G3 Modellierung der Kinematik unter Berücksichtigung der Elastizitäten der Armkörper (Lumped-Parameter-Ansatz) 1. Modellierung der Kinematik und Dynamik unter SimMechanics 2. Berücksichtigung der Elastizitäten 3. Bestimmung aller nötigen Parameter 4. Untersuchung der Echtzeitfähigkeit des gewählten Modellansatzes

24 G3 Umsetzung der differentiellen Kinematik 1. Umsetzung der differentiellen Kinematik unter Matlab / Simulink 2. Implementierung eines Konzeptes zur Vermeidung der Singularitäten 3. Visualisierung des Leichtbauarms in der VRML Umgebung

25 G4 Konstruktion und Aufbau des Experimentalsystems 1. Definition der Anforderungen an das Experimentalsystems 2. Entwurf und Konstruktion der modularen mechanischen Struktur 3. Auswahl der Komponenten in Zusammenarbeit mit dem Betreuer 4. Aufbau und Inbetriebnahme der Hardware 5. Sicherheitskonzept

26 G4 Schaffung einer Echtzeitumgebung mit XPCTarget 1. Definition der Anforderungen an die Echtzeitumgebung 2. Schaffung aller nötigen Schnittstellen 3. Integration der Hardware 4. Anbindung einer Kamera in Soft Realtime über den Host PC

27 Integration der Teilmodelle (I) G2 G3 Gesamtmodell B Gesamtmodell A G1 G4

28 Integration der Teilkomponenten (II) G2 G3 G4 Leichtbauarm G1

29 Agenda Überblick Gesamtprojekt Definition der Arbeitspakete Integration der Teilprojekte Zeitliche Planung Arbeitsorganisation

30 Projektplan / Zeitplan Zwischenpräsentation: Vorstellung der Modelle Abschlusspräsentation

31 Agenda Überblick Gesamtprojekt Definition der Arbeitspakete Integration der Teilprojekte Zeitliche Planung Arbeitsorganisation

32 Projektmanagement Vielzahl von Schnittstellen zwischen den Gruppen und Projektkoordinator (wechselt zunächst monatlich) Aufgaben: Ansprechpartner für die Betreuer Ansprechpartner für die Projektgruppe Regelmäßige Rückmeldung zum Stand der Aktivitäten Projektübergreifende Aufgaben (z.b. Dateimanagement, Terminfindung, )???

33 EDV Zugangsdaten zum RST-Netzwerk Benutzername: Login: Arbeitsverzeichnis Laufwerk Z:\ bzw. SVN-Verzeichnis (noch nicht festgelegt) adresse der Projektgruppe

34 Versionsverwaltung von Dateien Während des Projektes arbeiten viele Personen an einer großen Aufgabe. Es entstehen viele Dateien (z.b. Simulin- Modelle oder Anleitungen), an denen mehere Gruppen arbeiten. Softwaretool Tortoise SVN über Netzwerk bietet Zugriff für alle Teilnehmer der Projektgruppe von jedem Arbeitsplatz am Lehrstuhl zu jeder Zeit über das Lehrstuhlnetzwerk Es gibt eine Ordnerstruktur für alle Gruppen Es wird immer mit der aktuellsten Version einer Datei gearbeitet Dateien werden inkrementell mit Kommentar gespeichert Schutz vor Datenverlust Überblick über den Stand der Arbeiten Notwendige Vorbereitungen: Erstellung einer vorläufigen Ordnerstruktur

35 Grundprinzip von SVN(I) Zwei Benutzer (Harry u. Sally) arbeiten zur gleichen Zeit am gleichen Projekt Beide erstellen eine Lokale Kopie des Repositories (checkout) Sally ist zuerst fertig mit ihrer Arbeit

36 Grundprinzip von SVN(II) Da Harrys lokale Kopie veraltet ist, muss er updaten und vergleichen. Harry führt Sallys Arbeit mit seinen Änderungen zusammen (merge) und überträgt sie in das Repository (commit)

37 Was ist Tortoise? Ein Tool, das SVN in die Windows Arbeitsumgebung einbindet Eine intuitive Möglichkeit SVN zu benutzen ohne Konsolenkommandos erlernen zu müssen Tortoise SVN: oder \\Dc1\Public\Install (frei)\svn\svn-book.htm Subversion: oder \\Dc1\Public\Install (frei)\svn\tortoisesvn_de.pdf

38 Sonstiges Arbeitssicherheit Vor Beginn der praktischen Tätigkeiten Einweisung durch Herrn Limhoff Tätigkeitsprotokolle Nutzung des Experimentalsystems nach Absprache

39 Universität Dortmund Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit! Fragen?

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