© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Möglichkeiten der Bewegungssteuerung von Industrierobotern und deren softwareseitige Umsetzbarkeit Von:Daniel Ast Betreuer:Prof. Dr. rer. nat. Gerhard Dikta Dipl.-Inform. Sinem Kuz

2 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Gliederung 1. Einleitung 2. Grundlagen zu Industrierobotern 3. Arten der Bewegungssteuerung 4. Koordinatentransformationen 5. Programmierung mit MATLAB 6. Zusammenfassung und Ausblick

3 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Einleitung Einsatz von Industrierobotern  Aus Kostengründen  Aus Sicherheitsgründen  Wenn Menschen überfordert sind Vorreiter ist Japan, gefolgt von Nordamerika und Deutschland

4 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Gliederung 1. Einleitung 2. Grundlagen zu Industrierobotern 3. Arten der Bewegungssteuerung 4. Koordinatentransformationen 5. Programmierung mit MATLAB 6. Zusammenfassung und Ausblick

5 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Grundlagen - Definition Industrieroboter gehören zu Handhabungseinrichtungen  Unterkategorie: frei programmierbare Bewegungseinrichtung Definition laut VDI Richtlinie 2860:  universell einsetzbare Bewegungsautomaten  Bewegung frei programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt  mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar  können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen.

6 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Grundlagen - Komponenten Fahrzeug  Bewegt den Roboter zwischen verschiedenen Arbeitsplätzen Effektor  Interagiert mit der Umwelt mit Hilfe von Werkzeugen  Definiert Tool Center Point (TCP) Roboterarm  Besteht aus mehreren Achsen/Gliedern  Achsen sind durch Gelenke verbunden  Unterscheidung von Haupt- und Nebenachsen

7 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Grundlagen - Komponenten

8 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Grundlagen - Freiheitsgrade Freiheitsgrad f bezeichnet die Anzahl der möglichen unabhängigen Bewegungen Freie Bewegung im Raum benötigt Freiheitsgrad 6 Anzahl der Gelenke bestimmt Getriebefreiheitsgrad

9 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Gliederung 1. Einleitung 2. Grundlagen zu Industrierobotern 3. Arten der Bewegungssteuerung 4. Koordinatentransformationen 5. Programmierung mit MATLAB 6. Zusammenfassung und Ausblick

10 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Bewegungssteuerung PTP-Steuerung Vielpunktsteuerung Bahnsteuerung

11 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Bewegungssteuerung - PTP Alle Achsen bewegen sich zu Ihrer Endposition Asynchrones PTP  Achsen bewegen sich mit maximaler Geschwindigkeit  Achsen kommen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zum stehen Synchrones PTP  Achse mit längstem Weg wird Leitachse  Geschwindigkeit der anderen Achsen wird verringert  Alle Achsen kommen zum selben Zeitpunkt zum Stillstand

12 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Bewegungssteuerung - Rampenprofil Gegeben: Startposition q st, Zielposition q z, Beschleunigung b m, Geschwindigkeit v m Gesucht: Position zu einem bestimmten Zeitpunkt q s (t) Länge der zurückgelegten Strecke: Zeitpunkt Ende der Beschleunigung: Zeit für gesamte Strecke: Zeitpunkt Anfang Abbremsen:

13 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Bewegungssteuerung - Rampenprofil

14 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Bewegungssteuerung - Vielpunktsteuerung Meist durch Teach-In Verfahren realisiert Gelenkstellung wird periodisch abgefragt und gespeichert Bei Programmausführung werden Punkte nacheinander angefahren TCP hat definierte Bahn Schlechte Editierbarkeit des Programms

15 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Bewegungssteuerung - Bahnsteuerung Aus Start- und Zielpunkt werden Zwischenwerte für die Bahn berechnet Linearbahn: TCP bewegt sich auf einer Gerade zum Zielpunkt Kreisbahn: Durch Angabe eines Hilfspunktes bewegt der TCP sich auf einem Kreisbogen

16 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Bewegungssteuerung - Linearinterpolation Gegeben: Startposition p st, Zielposition p z, Geschwindigkeit, Beschleunigung Gesucht: Position p(t) des TCP

17 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Gliederung 1. Einleitung 2. Grundlagen zu Industrierobotern 3. Arten der Bewegungssteuerung 4. Koordinatentransformationen 5. Programmierung mit MATLAB 6. Zusammenfassung und Ausblick

18 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Koordinatentransformation Direkte Kinematik  Berechne aus Gelenkstellungen die Koordinaten des TCP Inverse Kinematik  Berechne aus Koordinaten des TCP die Gelenkstellungen

19 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Koordinatentransformation – Direkt Verfahren nach Denavit-Hartenberg Jedes Glied i bekommt Koordinatensystem K i Ursprung von K i liegt auf Gelenkachse von Gelenk i+1 z-Achse von K i liegt auf der Gelenkachse, x-Achse liegt auf a i

20 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Koordinatentransformation - Direkt Transformation von einem Koordinatensystem ins nächste Vier Schritte für eine Transformation  Zwei Drehungen  Zwei Translationen

21 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Koordinatentransformation - Direkt Matrizen für elementaren Transformationen

22 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Koordinatentransformation - Direkt Überführung von K i-1 in K i mit Transformationsmatrix i-1 T i

23 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Koordinatentransformation - Direkt q i : Drehung um z-Achse von K i-1 bis x-Achsen von K i-1 und K i parallel sind a i und d i : Verschiebung entlang der x-Achse und z-Achse bis der Ursprung von K i-1 auf dem von K i liegt : Drehung um x-Achse bis y-Achsen und z-Achsen aufeinander liegen

24 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Koordinatentransformation - Direkt Berechnung der Koordinaten des TCP Position x p und Orientierung Or des TCP

25 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Koordinatentransformation - Invers Aufwändiger zu berechnen In der Regel mehrere Lösungen Mehrdeutigkeitsproblem Singularitätsproblem

26 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Koordinatentransformation - Invers Denavit-Hartenberg rückwärts rechnen  Komplexes Gleichungssystem Numerische Verfahren  evtl. Konvergenzprobleme Analytische Verfahren  Keine allgemein gültigen Verfahren  Verfahren hängt vom Aufbau des Roboters ab

27 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Koordinatentransformation - Invers Analytische Berechnung für zwei Gelenke

28 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Gliederung 1. Einleitung 2. Grundlagen zu Industrierobotern 3. Arten der Bewegungssteuerung 4. Koordinatentransformationen 5. Programmierung mit MATLAB 6. Zusammenfassung und Ausblick

29 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Programmierung mit MATLAB Spezialisiert auf technische Software Besteht aus verschiedenen Komponenten  Entwicklungsumgebung  Skriptsprache  Funktionsbibliothek  Grafikfunktionalität  Programmierschnittstelle

30 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Programmierung mit MATLAB Entwicklungsumgebung Editor für MATLAB-Skriptsprache Debug-Modus mit Schrittweiser Codeausführung und Variableninspektion Kommandofenster zur Befehlseingabe

31 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Programmierung mit MATLAB Skriptsprache Ermöglicht komplexe Programme Funktionen und elementare Objektorientierung Ausführung in der Entwicklungsumgebung Übersetzung in andere Programmiersprachen

32 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Programmierung mit MATLAB Funktionsbibliothek Neben Standardfunktionen auch z.B. Matrixinvertierung Erweiterung durch Einbinden von Toolboxen

33 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Programmierung mit MATLAB Grafikfunktionalität Erstellung von GUIs Einfache Eingabe von Daten Darstellen von Ergebnissen

34 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Programmierung mit MATLAB Programmierschnittstelle Kommunikation mit anderen Programmen COM-Schnittstelle zum Datenaustausch MATLAB kann als COM-Server oder -Client fungieren

35 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Programmierung mit MATLAB MATLAB ist gut geeignet zur Roboterprogrammierung Häufiger Einsatz von Matrizen ROBOMATS Toolbox mit Hilfsfunktionen  function H = rotx(alpha)  function H = roty(alpha)  function H = rotz(alpha)  function H = trans(v) Integration in andere Programme

36 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Gliederung 1. Einleitung 2. Grundlagen zu Industrierobotern 3. Arten der Bewegungssteuerung 4. Koordinatentransformationen 5. Programmierung mit MATLAB 6. Zusammenfassung und Ausblick

37 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Zusammenfassung und Ausblick Berechnung der Effektorstellung mit direkter Kinematik Berechnung der Gelenkstellung mit inverser Kinematik Bewegung mit PTP- und Bahnsteuerung Software-Tool zur Wegberechnung mit Hindernissen in Bachelorarbeit

38 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Quellen Rüdiger Dillmann und Martin Huck, Informationsverarbeitung in der Robotik, Springer Verlag, Martin Hering-Bertram, Inverse Kinematik in der Computeranimation, 2007, Habilitationsvortrag Dr. Martin Hering-Bertram TU Kaiserslautern, Fraunhofer ITWM. Heinz Linnemann, Begleitfolien zum Wahlpflichtfach Robotertechnik, 2010, Beuth Hochschule für Technik Berlin - Fachbereich VI. Harald Rieseler, Roboterkinematik - grundlagen, Invertierung, und symbolische Berechnung, Verlag Vieweg, Hans-Jürgen Siegert und Siegfried Bocionek, Robotik: Programmierung intelligenter Roboter, Springer Verlag, Georg Stark, Robotik mit matlab, Fachbuchverl. Leipzig im Carl-Hanser-Verl., Verein Deutscher Ingenieure, VDI 2860, 1990, Richtlinien des Vereins Deutscher Ingenieure. Wolfgang Weber, Industrieroboter, Fachbuchverlag Leipzig, Dieter W. Wloka, Robotersysteme 1, Springer Verlag, Hans-Jürgen Warnecke and Rolf D. Schraft, Industrieroboter: Handbuch für industrie und wissenschaft, Springer Verlag, KUKA Roboter GmbH,

39 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit