Weber / Koch Industrieroboter
5. aktualisierte und erweiterte Auflage 2022
ISBN: 978-3-446-46870-2
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Methoden der Steuerung und Regelung
E-Book, Deutsch, 274 Seiten
ISBN: 978-3-446-46870-2
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark
Dieses Standardwerk führt in die Lagebeschreibung, Interpolation, Programmierung und Regelung von Industrierobotern ein. Mit einfachen, anwendungsnahen Beispielen werden schrittweise die erforderlichen mathematischen Methoden erläutert. Das Buch richtet sich zum einen an Studierende der Fachbereiche Technik und Informatik an Universitäten und Hochschulen. Zum anderen liefert es Praktikern aus der Industrie, die fortgeschrittene, leistungsfähige Regelungskonzepte entwickeln möchten, einen effizienten Zugang zur Modellbildung und zum Regelungsentwurf.
Neu in dieser Auflage hinzugekommen sind u. a. die Orientierungsbeschreibung durch Roll-Nick-Gier-Winkel, Splines 5. Ordnung sowie eine Einführung in die bildgestützte Regelung. Darüber hinaus sind zusätzliche Beispiele und Aufgaben zur Programmierung, zum Regelungsentwurf und zur inversen Kinematik ergänzt worden, um die Erarbeitung der Themen zu erleichtern.
Auf https://www.weber-industrieroboter.de werden die Lösungen zu den Übungsaufgaben im Buch bereitgestellt. Die Aufgaben können mit MATLAB-M-Files nachvollzogen und gelöst werden. Es werden auch auf die Aufgabenklasse angepasste Simulationswerkzeuge zur Verfügung gestellt. Mit dem browserbasierten Entwicklungs- und Visualisierungswerkzeug ManDy können Roboterarme von 2 bis 10 Gelenken definiert werden. Mit einer menügesteuerten einfachen Sprache kann die Bewegung eines Industrieroboters programmiert, mit einem Vollkörpermodell visualisiert und das Regelungsverhalten simuliert werden.
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Weber ist Studienleiter Robotik an der Wilhelm Büchner Hochschule Darmstadt. Bis März 2019 hat er die Fachgebiete Regelungstechnik/Robotertechnik im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Hochschule Darmstadt vertreten.
Autoren/Hrsg.
Fachgebiete
Weitere Infos & Material
1;Inhaltsverzeichnis;7
2;Vorwort zur 1. Auflage;11
3;Vorwort zur 5. Auflage;15
4;1 Komponenten eines Industrieroboters;17
4.1;1.1 Definition und Einsatzgebiete von Industrierobotern;17
4.2;1.2 Mechanischer Aufbau;19
4.3;1.3 Steuerung und Programmierung;23
4.4;1.4 Struktur und Aufgaben der Regelung;25
4.5;1.5 Neuere Einsatzfelder und Konzepte der Industrierobotik;29
5;2 Beschreibung einer Roboterstellung;33
5.1;2.1 Grundlagen der Lagebeschreibung;33
5.1.1;2.1.1 Koordinatensysteme;33
5.1.2;2.1.2 Freie Vektoren;33
5.1.3;2.1.3 Operationen mit Vektoren;35
5.1.4;2.1.4 Ortsvektoren;37
5.1.5;2.1.5 Anordnung von Elementen in Vektoren und Matrizen;38
5.1.6;2.1.6 Rotationsmatrizen;38
5.1.7;2.1.7 Homogene Matrizen (Frames);41
5.1.8;2.1.8 Beschreibung der Orientierung durch Euler-Winkel;43
5.1.9;2.1.9 Roll-Pitch-Yaw-Winkel;47
5.1.10;2.1.10 Beschreibung der Orientierung durch Drehvektor und Drehwinkel;48
5.1.11;2.1.11 Freiheitsgrad des Robotereffektors;51
5.1.12;2.1.12 Differenzieren von Vektoren in bewegten Koordinatensystemen;52
5.2;2.2 Die Denavit-Hartenberg-Konvention für Industrieroboter;54
5.2.1;2.2.1 Der Industrieroboter mit offener kinematischer Kette;54
5.2.2;2.2.2 Koordinatensysteme und kinematische Parameter nach der Denavit-Hartenberg-Konvention;55
5.2.3;2.2.3 Rotationsmatrizen und homogene Matrizen auf Basis der Denavit-Hartenberg-Parameter;61
5.3;2.3 Übungsaufgaben;63
6;3 Transformationen zwischen Roboter- und Weltkoordinaten;65
6.1;3.1 Die Vorwärtstransformation;66
6.2;3.2 Die Rückwärtstransformation;67
6.2.1;3.2.1 Mehrdeutigkeiten und Singularitäten;67
6.2.2;3.2.2 Lösungsvoraussetzungen und Lösungsansätze;68
6.2.3;3.2.3 Rückwärtstransformation an einem Zweigelenkroboter;68
6.2.4;3.2.4 Rückwärtstransformation an einem SCARA Roboter;70
6.2.5;3.2.5 Geometrische Rückwärtstransformation für den R6-Knickarmroboter;72
6.3;3.3 Kinematische Transformationen mit der Jacobi-Matrix;78
6.3.1;3.3.1 Die Jacobi-Matrix in der Robotik;78
6.3.2;3.3.2 Rückwärtstransformation auf Basis der inversen Jacobi-Matrix;82
6.3.3;3.3.3 Rückwärtstransformation mit der transponierten Jacobi-Matrix;83
6.4;3.4 Übungsaufgaben;84
7;4 Bewegungsart und Interpolation;85
7.1;4.1 Übersicht zu den Steuerungsarten;85
7.2;4.2 PTP-Bahn und Interpolationsarten;87
7.2.1;4.2.1 Prinzipieller Ablauf der PTP-Steuerung;87
7.2.2;4.2.2 Rampenprofil zur Interpolation;89
7.2.3;4.2.3 Sinoidenprofil zur Interpolation;91
7.2.4;4.2.4 Anpassung an die Interpolationsschrittweite;93
7.2.5;4.2.5 Synchrone PTP;95
7.2.6;4.2.6 Vollsynchrone PTP;96
7.2.7;4.2.7 Beispiel für eine PTP-Bahn;97
7.3;4.3 Bahnsteuerung (CP-Steuerung);99
7.3.1;4.3.1 Prinzipieller Ablauf der Bahnsteuerung;99
7.3.2;4.3.2 Linearinterpolation;100
7.3.3;4.3.3 Zirkularinterpolation;103
7.3.4;4.3.4 Beispiel für eine CP-Bahn;109
7.4;4.4 Durchfahren von Zwischenstellungen ohne Stillstand der Achsen;110
7.4.1;4.4.1 PTP-Überschleifen;110
7.4.2;4.4.2 CP-Überschleifen;112
7.4.3;4.4.3 Spline-Interpolation für PTP-Bahn;113
7.4.4;4.4.4 Spline-Interpolation in kartesischen Koordinaten;116
7.5;4.5 Übungsaufgaben;120
8;5 Roboterprogrammierung;123
8.1;5.1 Online-Roboterprogrammierung;124
8.1.1;5.1.1 Teach-In-Programmierung;124
8.1.2;5.1.2 Play-Back-Programmierung;126
8.1.3;5.1.3 Master-Slave-Programmierung;127
8.2;5.2 Offline-Programmierung;128
8.2.1;5.2.1 Textuelle Programmierung in einer problemorientierten Programmiersprache;129
8.2.2;5.2.2 Grafisch interaktive/CAD-basierte Programmierung;129
8.2.3;5.2.3 Aufgabenorientierte Programmierung;130
8.3;5.3 Roboterprogrammiersprachen;132
8.3.1;5.3.1 Sprachelemente von Roboterprogrammiersprachen;133
8.3.2;5.3.2 Programmbeispiel;135
8.4;5.4 Programmierunterstützung durch grafische Simulation;138
8.5;5.5 Vergleich der verschiedenen Programmierarten;140
8.6;5.6 Übungsaufgaben;141
9;6 Modell der Dynamik;143
9.1;6.1 Modell der Dynamik einer Gelenkachse;143
9.1.1;6.1.1 Modell der Mechanik eines Gelenks/Armteils;143
9.1.2;6.1.2 Modell des Antriebsmotors und der Servoelektronik;145
9.1.3;6.1.3 Modell des ideal angenommenen Antriebsstrangs eines Gelenks;147
9.1.4;6.1.4 Gesamtmodell einer Einzelachse bei ideal angenommenem Antriebsstrang;148
9.2;6.2 Modell der Mechanik eines Roboterarms mit dem rekursiven Newton-Euler-Verfahren;149
9.2.1;6.2.1 Kinematische Berechnungen;150
9.2.2;6.2.2 Rekursive Berechnung der Gelenkkräfte bzw. -drehmomente;154
9.2.3;6.2.3 Anfangswerte für die rekursiven Berechnungen;156
9.2.4;6.2.4 Geeignete Darstellung der Vektoren und Zusammenfassung;157
9.2.5;6.2.5 Einfache Beispiele zum Newton-Euler-Verfahren;159
9.2.6;6.2.6 Explizite Berechnung einzelner Komponenten der Bewegungsgleichung;163
9.3;6.3 Gesamtmodell der Regelstrecke;168
9.3.1;6.3.1 Modell der Antriebsmotoren und Servoelektronik aller Gelenke;168
9.3.2;6.3.2 Zusammenfassung der Modellgleichungen;170
9.4;6.4 Übungsaufgaben;171
10;7 Regelung;175
10.1;7.1 Aufgaben und prinzipielle Strukturen;175
10.2;7.2 Dezentrale Gelenkregelung in Kaskadenstruktur;179
10.2.1;7.2.1 Übersicht und Regelstrecke;179
10.2.2;7.2.2 Geschwindigkeitsregelung mit PI-Regler;181
10.2.3;7.2.3 ReDuS-Geschwindigkeitsregler;184
10.2.4;7.2.4 Entwurf des Lagereglers;187
10.2.5;7.2.5 Beispiel für eine dezentrale Lageregelung;193
10.2.6;7.2.6 Hinweise zur Realisierung;197
10.3;7.3 Adaptive Einzelgelenkregelungen;198
10.4;7.4 Modellbasierte Regelungskonzepte;201
10.4.1;7.4.1 Zentrale Vorsteuerung;202
10.4.2;7.4.2 Entkopplung und Linearisierung;204
10.4.3;7.4.3 Modellbasierte Regelung mit PID-Strukturen;207
10.4.4;7.4.4 Robuste Regelung durch vorgegebenes Verzögerungsverhalten;209
10.4.5;7.4.5 Modellbasierte Lageregelung mit Kaskadenstruktur;212
10.4.6;7.4.6 Hinweise zur Realisierung modellbasierter Gelenkregelungen;213
10.4.7;7.4.7 Modellbasierte Lageregelung in kartesischen Koordinaten;214
10.4.8;7.4.8 Beispiel für eine modellbasierte Regelung;216
10.5;7.5 Nichtanalytische Regelungsverfahren;218
10.5.1;7.5.1 Fuzzy-Regelungen;218
10.5.2;7.5.2 Neuronale Lernverfahren in der Gelenkregelung;220
10.6;7.6 Strukturen von Kraftregelungen;223
10.7;7.7 Bildgestützte Regelung;225
10.7.1;7.7.1 Strukturen von Visual Servoing;226
10.7.2;7.7.2 Bildverarbeitung;229
10.7.3;7.7.3 Kameramodell;230
10.7.4;7.7.4 Gelenkbewegungen aus Bildinformationen;232
10.7.5;7.7.5 Visual Servoing mit modellbasierter Gelenkregelung;235
10.8;7.8 Externe hybride Regelungskonzepte;236
10.9;7.9 Übungsaufgaben;237
11;Anhang;241
11.1;A Einige Definitionen und Rechenregeln für Matrizen;241
11.2;B Aufstellen der Jacobi-Matrix;245
11.2.1;B1 Beschreibung der Bewegung des Effektors in Abhängigkeit von den relativen Geschwindigkeiten der Armteile;245
11.2.2;B2 Berechnung durch Anwendung der kinematischen Gleichungen des Newton-Euler Verfahrens;247
11.3;C Modellbildung und Simulation der statischen Reibung;249
11.3.1;C1 Statische Reibung bei einem Einzelgelenk;249
11.3.2;C2 Statische Reibung beim Roboterarm;251
11.4;D ManDy: Programmier-, Simulations- und Visualisierungswerkzeug;253
11.5;E Weitere Simulationswerkzeuge;256
11.5.1;E1 PTP- und CP-Interpolation für einen planaren Zweigelenkroboter;256
11.5.2;E2 Spline-Interpolation;257
11.5.3;E3 Newton-Euler-Verfahren für Zweigelenkroboter;257
11.5.4;E4 Simulation einer Eingelenkregelung;259
12;Hinweise zur Internetseite;260
13;Literatur;261
14;Formelzeichen;269
15;Index;273
