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Einführung in die RobotikVorlesung 5
27 November 2007
Dr. Mohamed OubbatiInstitut für Neuroinformatik
WS 2007/2008
Dr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm. WS 2007/2008)
Heutiges Thema:
Aktoren
Dr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm. WS 2007/2008)
Einführung
Sensoren
Mit Hilfe von Sensoren kann ein Roboter Informationen aus seiner Umgebung aufnehmen.
SensorPhysikalisches Signal Elektrisches Signal
Dr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm. WS 2007/2008)
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.
AktuatorElektrisches Signal Mechanische Arbeit
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ÜbersichtAktoren- Einführung
SensorenPhysikalische Größen
Digital Rechner
Aktoren
Mobile Robot
Kräfte oder Bewegungen
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Signalverarbeitungskette
Physikalische Größen
Sensoren
A/D Wandler
Digital Rechner
D/A Wandler
Verstärker
Energiewandler
Prozess (Bewegung)
Elektrische Energie
Mechanische Energie
Aktoren- Einführung
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Aktoren
Digital - Analog WandlungDer Rechner erzeugt im Normalfall digitale Ausgabesignale (1 oder 0 Zustände).
Diese Signale müssen in einem D/A Wandler in ein analoges Signal umgewandelt werden.
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Aktoren
Ein D/A-Wandler basiert auf dem sog. Operations-Verstärker (OV).
Digital - Analog Wandlung
+
-+Vss
-Vss
U1
U2
Vout
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AktorenD/A-Wandlung: Widerstandsnetzwerk
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +++++−= 76510 2
141
81...
1281
2561 SSSSSUU ea
(die Tafel ! )
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t
U
Analoges Signal eines D/A-Wandler
D/A-Wandlung: Widerstandsnetzwerk
Die maximale Auflösung eines D/A Wandlers ergibt sich durch die Anzahlder Bits, die der Wandler verarbeiten kann.
8 Bit Eingang eine maximale Auflösung von 256 darstellbaren Werten innerhalb eines Wertebereichs.
Aktoren
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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.
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AktorenMotoren
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.
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AktorenMotoren
Motorsteuerung mit H-Brücke
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.
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AktorenMotoren
MotorsteuerungUm die Geschwindigkeit des Motors zu regulieren, muss man die Pulsweitenmodulation (engl. Pulse Width Modulation, abgekürzt PWM) nutzen.
PulsweitenmodulationBei der PWM wird die Ein- und Ausschaltzeit eines Rechtecksignals bei fester Grundfrequenz variiert.
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AktorenMotoren
Pulsweitenmodulation
Je länger die Einschaltdauer, desto schneller dreht sich der Motor.
(die Tafel)Dr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm. WS 2007/2008)
AktorenGetriebe
Um die gewünschten Fahrleistungen des Roboters zu erreichen ist es notwendigden Motor mit Getriebe zu koppeln.
Beim mobilen Roboter werden Getriebe mit Hilfe von Zahnrädern eingesetzt, um die Drehzahl an die Anforderungen anzupassen
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AntriebskonzepteEin mobiler Roboter besitzt insbesondere Aktoren (z. b. Räder, Beine,oder Ketten) zur Veränderung seiner Position in seiner Umgebung.
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AntriebskonzepteDifferentialantrieb
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
StützrädernDr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm. WS 2007/2008)
AntriebskonzepteDifferentialantrieb
Die beiden Antriebsräder liegen auf derselben Achse und werden getrennt angetrieben.
Mit Rädern kann ein Roboter auf glattem Untergrund höhere Geschwindigkeitenerreichen.
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• Hohes Moment für Kurvenfahrt
• Schwierige Positionsbestimmung
• Sehr starke Reibung auf dem Boden
AntriebskonzepteDifferentialantrieb
• Einfache Konstruktion
• Einfache Steuerung
• Auf der Stelle drehbar
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AntriebskonzepteDreiradantrieb
Der mobile Roboter ist mit 2 angetriebenen Räder und ein gelenkten Radausgestattet
Der Roboter bewegt sich dann bei konstanten Radgeschwindigkeiten auf einer Kreisbahn mit dem Radius r um ein Drehzentrum ICC.
die verlängerten Achsschenkel aller Räder müssen in einem Mittelpunkt (ICC: InstantaneousCenter of Curvature) schneiden.
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AntriebskonzepteDreiradantrieb
Beispiel
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AntriebskonzepteDreiradantrieb
Sehr gute Spurtreue • Der Roboter kann nicht auf der Stelle drehen.
• Aufwändige Konstruktion
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ICC
AntriebskonzepteAckermannlenkung
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.
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AntriebskonzepteAckermannlenkung
Der mobile Roboter hat eine Lenkung wie die von Autos bekannte Lenkung.
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Drei oder mehr angetriebene Räder werden synchron gelenkt
AntriebskonzepteSynchroDrive
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AntriebskonzepteSynchroDrive
Beispiel
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AntriebskonzepteOmnidirectional
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
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AntriebskonzepteOmnidirectional
Hardware Omnidrive Chassis.
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AntriebskonzepteOmnidirectional
Vierrad mit Mecanum-Rädern
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AntriebskonzepteOmnidirectional
Vierrad mit Mecanum-Rädern
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AntriebskonzepteOmnidirectional
Beispiel:
Assistenzroboter (Universität Bundeswehr München)
Omni-Rollstuhl der FernUniversität Hagen
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AntriebskonzepteOmnidirectional
• Beweglichkeit
• Keine aktive Lenkung
• Ebene Oberflächen
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Antriebskonzepte
Hier wird der Roboter nicht von Rädern, sondern, wie ein Panzer, von zwei Ketten angetrieben. Das Prinzip ist analog zum Differentialantrieb.
Differentialantrieb- Kettenantrieb
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AntriebskonzepteLaufmaschinen
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AntriebskonzepteLaufmaschinen
• Sehr flexible Fortbewegung auf eine Gelände.
• Biologisch plausibel.
• Kompliziert zu bauen
• Energieversorgung schwierig.
• Kompliziert zu steuern.
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