Einführung in die Robotik

Transkript

1 Einführung in die Robotik Vorlesung 5 27 November 2007 Dr. Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik WS 2007/2008

2 Heutiges Thema: Aktoren

3 Einführung Sensoren Mit Hilfe von Sensoren kann ein Roboter Informationen aus seiner Umgebung aufnehmen. Physikalisches Signal Sensor Elektrisches Signal

4 Einführung 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 Aktuator Mechanische Arbeit

5 Aktoren- Einführung Übersicht Mobile Robot Digital Rechner Physikalische Größen Sensoren Aktoren Kräfte oder Bewegungen

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

7 Aktoren Digital - Analog Wandlung Der Rechner erzeugt im Normalfall digitale Ausgabesignale (1 oder 0 Zustände). Diese Signale müssen in einem D/A Wandler in ein analoges Signal umgewandelt werden.

8 Aktoren Digital - Analog Wandlung Ein D/A-Wandler basiert auf dem sog. Operations-Verstärker (OV). U2 - +Vss + Vout U1 -Vss

9 Aktoren D/A-Wandlung: Widerstandsnetzwerk = S S S S S U U e a (die Tafel! )

10 Aktoren U D/A-Wandlung: Widerstandsnetzwerk Analoges Signal eines D/A-Wandler t Die maximale Auflösung eines D/A Wandlers ergibt sich durch die Anzahl der Bits, die der Wandler verarbeiten kann. 8 Bit Eingang eine maximale Auflösung von 256 darstellbaren Werten innerhalb eines Wertebereichs.

11 Aktoren Es gibt hauptsächlich drei Arten, um elektrische Signale in mechanische Arbeit umzusetzen: 1. Pneumatik 2. Hydraulik 3. Elektrik. Beim Mobilen Roboter werden am häufigsten Elektromotoren als Antriebselemente eingesetzt.

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

13 Aktoren Motorsteuerung mit H-Brücke Motoren 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 (H-Brücke) kommt und der Mikroprozessor nur die Steuersignale sendet.

14 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.

15 Aktoren Motoren Pulsweitenmodulation Je länger die Einschaltdauer, desto schneller dreht sich der Motor. (die Tafel)

16 Aktoren Getriebe Um die gewünschten Fahrleistungen des Roboters zu erreichen ist es notwendig den Motor mit Getriebe zu koppeln. Beim mobilen Roboter werden Getriebe mit Hilfe von Zahnrädern eingesetzt, um die Drehzahl an die Anforderungen anzupassen

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

18 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

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

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

21 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.

22 Dreiradantrieb Beispiel

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

24 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

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

26 SynchroDrive Drei oder mehr angetriebene Räder werden synchron gelenkt

27 SynchroDrive Beispiel

28 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

29 Omnidirectional Hardware Omnidrive Chassis.

30 Omnidirectional Vierrad mit Mecanum-Rädern

31 Omnidirectional Vierrad mit Mecanum-Rädern

32

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

34 Omnidirectional Beweglichkeit Ebene Oberflächen Keine aktive Lenkung

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

36 Laufmaschinen

37 Laufmaschinen Sehr flexible Fortbewegung auf eine Gelände. Biologisch plausibel. Kompliziert zu bauen Energieversorgung schwierig. Kompliziert zu steuern.