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Universität Bremen
Kognitive Robotik I
Motorik
Thomas Röfer
RobotertypenRoboter mit Rädern
Gelenkt, differentiell, synchron, omnidirektionalLaufmaschinen
Statisch und dynamisch stabilEin-, zwei-, vier- und sechsbeinig
Kognitive Robotik I – Motorik 2
Universität Bremen
Rückblick „Service-Robotik“Zeitleiste der Robotik
Karel Čapek
1921
Karel Čapek
1921
Prog.Arm
1954
Prog.Arm
1954
Shakey
1968
Shakey
1968
100,000 Roboter
1984
100,000 Roboter
1984
Unimation
1961
Unimation
1961
Service-Roboter
1980
Service-Roboter
1980
Isaac Asimov
1941
Isaac Asimov
1941
Anforderungen
Reha
Unter-wasser
Über-wachung
Reinigung
Tanken
Medizin
Haushalt
500 1000 1500 2000 Stückzahlen
Reha
Unter-wasser
Über-wachung
Reinigung
Tanken
Medizin
Haushalt
500 1000 1500 2000
Reha
Unter-wasser
Über-wachung
Reinigung
Tanken
Medizin
Haushalt
Reha
Unter-wasser
Über-wachung
Reinigung
Tanken
Medizin
Haushalt
500 1000 1500 2000 Stückzahlen
50+30050+300
200+200200+200
400+200400+200
300+500300+500
50+80050+800
800+7000800+70002000+125002000+12500
Roboterbestand 1998Roboterbestand 1998
Prognose für 1999-2002Prognose für 1999-2002
Wirtschaftliche Bedeutung
Service-Roboter
Service-Roboter
Autonomes Ausführenherkömmlicher Aufgaben
Autonomes Ausführenherkömmlicher Aufgaben
ReinigungReinigung
TankenTankenAutonomes Ausführen
herkömmlicher Aufgaben
Autonomes Ausführenherkömmlicher Aufgaben
ReinigungReinigung
TankenTanken
Autonomes Ausführen neuartiger Aufgaben
Autonomes Ausführen neuartiger Aufgaben
InspektionInspektion
EntertainmentEntertainmentAutonomes Ausführen neuartiger Aufgaben
Autonomes Ausführen neuartiger Aufgaben
InspektionInspektion
EntertainmentEntertainment
Unterstützung bei neuartigen Aufgaben
Unterstützung bei neuartigen Aufgaben
RehabilitationRehabilitation
BetreuungBetreuungUnterstützung bei
neuartigen Aufgaben
Unterstützung bei neuartigen Aufgaben
RehabilitationRehabilitation
BetreuungBetreuung
Unterstützung bei herkömmlichen Aufgaben
Unterstützung bei herkömmlichen Aufgaben
MedizinMedizin
BüroBüroUnterstützung bei
herkömmlichen Aufgaben
Unterstützung bei herkömmlichen Aufgaben
MedizinMedizin
BüroBüro
Klassifikation Beispiele Zukunft
Kognitive Robotik I – Motorik 3
Universität Bremen
Robotertypen
Kognitive RoboterKognitive Roboter
MobilMobil StationärStationär
2-D2-D 3-D3-D
FahrenFahren LaufenLaufen
Kognitive Robotik I – Motorik 4
Universität Bremen
Roboter mit Rädern
� Vorteile� Antriebsart ist auch sonst weit verbreitet
� Schnell� Schwere Lasten können transportiert werden
� Steuerung relativ einfach
� Nachteile� Infrastruktur (Wege, Straßen) erforderlich� Starke Veränderung der Umwelt
� In unwegsamen Gegenden nicht einsetzbar
� Unnatürlich� Es gibt kein Lebewesen mit Rädern!
Kognitive Robotik I – Motorik 5
Universität Bremen
Antriebs- plus Lenkachse – Dreirad
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
Kognitive Robotik I – Motorik 6
Universität Bremen
Richtig
Antriebs- plus Lenkachse – Vierrad
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
� Vierrad (Ackermann-Lenkung)
Ungenau
Kognitive Robotik I – Motorik 7
Universität Bremen
Antriebs- plus Lenkachse – Modell
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
� Vierrad (Ackermann-Lenkung)
� Modell und Differentialgetriebe
α
α
r
s
αtan
sr =
Kognitive Robotik I – Motorik 8
Universität Bremen
Stützräder
Differenzieller Antrieb
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
� Vierrad (Ackermann-Lenkung)
� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb
Kognitive Robotik I – Motorik 9
Universität Bremen
Differenzieller Antrieb – Modell
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
� Vierrad (Ackermann-Lenkung)
� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell
r
22d
r
v
dr
v rightleft
+=
−
d
leftright
leftright
vv
vvdr
−+
=2
Kognitive Robotik I – Motorik 10
Universität Bremen
Differenzieller Antrieb – Kettenantrieb
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
� Vierrad (Ackermann-Lenkung)
� Modell und Different.
� Differenzieller Antrieb� Modell
� Kettenantrieb
Kognitive Robotik I – Motorik 11
Universität Bremen
Synchron-Antrieb
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
� Vierrad (Ackermann-Lenkung)
� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell
� Kettenantrieb
� Synchron-Antrieb
Kognitive Robotik I – Motorik 12
Universität Bremen
Synchron-Antrieb – Technik
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
� Vierrad (Ackermann-Lenkung)
� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell
� Kettenantrieb
� Synchron-Antrieb� Technik
Lenkmotor
Achse fürAufbau
Antriebsmotor
Kognitive Robotik I – Motorik 13
Universität Bremen
Omnidirektional – Killough-Antrieb
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
� Vierrad (Ackermann-Lenkung)
� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell
� Kettenantrieb
� Synchron-Antrieb� Technik
� Omnidirektionaler Antrieb� Killough
Kognitive Robotik I – Motorik 14
Universität Bremen
Omnidirektional – Killough
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
� Vierrad (Ackermann-Lenkung)
� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell
� Kettenantrieb
� Synchron-Antrieb� Technik
� Omnidirektionaler Antrieb� Killough
� Modell
� Richtungsvektoren� F0 = [-1, 0]
� F1 = [1,-√3] / 2� F2 = [1,√3] / 2
� Konstanten� Radius der Räder: r� Abstand der Räder vom Zentrum: b
� Gewünschte Bewegung� v = [x,y], w
� Formel� ω0 = (v F0 + b w) / r� ω1 = (v F1 + b w) / r� ω2 = (v F2 + b w) / r
Kognitive Robotik I – Motorik 15
Universität Bremen
Omnidirektional – Spezielle Räder
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
� Vierrad (Ackermann-Lenkung)
� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell
� Kettenantrieb
� Synchron-Antrieb� Technik
� Omnidirektionaler Antrieb� Killough
� Modell
� Spezielle Räder
Kognitive Robotik I – Motorik 16
Universität Bremen
Omnidirektional – Meccanum-Räder
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad
� Vierrad (Ackermann-Lenkung)
� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell
� Kettenantrieb
� Synchron Antrieb� Technik
� Omnidirektionaler Antrieb� Killough
� Modell
� Spezielle Räder
� Mecanum-Räder
Kognitive Robotik I – Motorik 17
Universität Bremen
Omnidirektional – Meccanum-Räder
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad� Vierrad (Ackermann-Lenkung)� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell� Kettenantrieb
� Synchron Antrieb� Technik
� Omnidirektionaler Antrieb� Killough
� Modell
� Spezielle Räder � Mecanum Räder
� Demonstration
Kognitive Robotik I – Motorik 18
Universität Bremen
Omnidirektional – Meccanum-Räder
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad� Vierrad (Ackermann-Lenkung)� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell� Kettenantrieb
� Synchron Antrieb� Technik
� Omnidirektionaler Antrieb� Killough
� Modell
� Spezielle Räder� Mecanum Räder
� Demonstration, Beispiele
Kognitive Robotik I – Motorik 19
Universität Bremen
Omnidirektional – Meccanum-Räder
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad� Vierrad (Ackermann-Lenkung)� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell� Kettenantrieb
� Synchron Antrieb� Technik
� Omnidirektionaler Antrieb� Killough
� Modell
� Spezielle Räder (Acroname Inc.)� Mecanum Räder
� Demonstration, Beispiele, Modell
−=
−+
+−
w
y
x
v
v
v
l
l
l
R2
312
312
312
31
3
2
1 111
ωωω
Kognitive Robotik I – Motorik 20
Universität Bremen
Omnidirektional – Meccanum-Räder
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad� Vierrad (Ackermann-Lenkung)� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell� Kettenantrieb
� Synchron-Antrieb� Technik
� Omnidirektionaler Antrieb� Killough
� Modell
� Spezielle Räder (Acroname Inc.)� Mecanum Räder
� Demonstration, Beispiele, Modell, Anwendung
Kognitive Robotik I – Motorik 21
Universität Bremen
Redundanter Antrieb
� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad� Vierrad (Ackermann-Lenkung)� Modell und Differentialgetriebe
� Differenzieller Antrieb� Modell� Kettenantrieb
� Synchron Antrieb� Technik
� Omnidirektionaler Antrieb� Killough
� Modell
� Spezielle Räder (Acroname Inc.)� Mecanum Räder
� Demonstration, Beispiele, Modell, Anwendung
� Redundanter Antrieb
Kognitive Robotik I – Motorik 22
Universität Bremen
Laufmaschinen
� Vorteile� Können sich in unwegsamen Gelände bewegen� Gehen, laufen, hüpfen, klettern...
� Keine Veränderung der Umwelt notwendig
� Biologisch plausibel
� Nachteile� Kompliziert zu bauen� 6-beinige Maschinen haben 18 Gelenke
� Energieversorgung schwierig� Kompliziert zu steuern� Für sinnvollen Gang muss die Umgebung genau analysiert werden
� Für den Transport schwerer Lasten eher ungeeignet
Kognitive Robotik I – Motorik 23
Universität Bremen
Statisch stabiler Gang - 6-beinig
� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner
Kognitive Robotik I – Motorik 24
Universität Bremen
Statisch stabiler Gang - 6-beinig
� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner
Kognitive Robotik I – Motorik 25
Universität Bremen
Statisch stabiler Gang - 4-beinig
� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner
� VierLING
Kognitive Robotik I – Motorik 26
Universität Bremen
Dynamisch stabiler Gang - 1-beinig
� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner
� VierLING
� Dynamisch stabiler Gang� Einbeinige Hüpfmaschine
Kognitive Robotik I – Motorik 27
Universität Bremen
Dynamisch stabiler Gang - 2-beinig
� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner
� VierLING
� Dynamisch stabiler Gang� Einbeinige Hüpfmaschine
� Zweibeinige Laufmaschine
Kognitive Robotik I – Motorik 28
Universität Bremen
Dynamisch stabiler Gang - 4-beinig
� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner
� VierLING
� Dynamisch stabiler Gang� Einbeinige Hüpfmaschine
� Zweibeinige Laufmaschine
� Vierbeinige Laufmaschine