Aktoren - Uni Ulm

Einführung in die Robotik
Vorlesung 5
27 November 2007
Dr. Mohamed Oubbati
Institut für Neuroinformatik
WS 2007/2008
Dr. M. Oubbati, Einführung in die Robotik (Neuroinformatik, Uni-Ulm. WS 2007/2008)
Heutiges Thema:
Aktoren
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Einführung
Sensoren
Mit Hilfe von Sensoren kann ein Roboter Informationen aus seiner Umgebung
aufnehmen.
Elektrisches Signal
Physikalisches Signal
Sensor
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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.
Mechanische Arbeit
Elektrisches Signal
Aktuator
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Aktoren- Einführung
Übersicht
Mobile Robot
Digital Rechner
Physikalische
Größen
Sensoren
Aktoren
Kräfte oder
Bewegungen
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Aktoren- Einführung
Signalverarbeitungskette
Digital Rechner
A/D Wandler
D/A Wandler
Verstärker
Sensoren
Elektrische Energie
Energiewandler
Physikalische Größen
Mechanische Energie
Prozess (Bewegung)
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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.
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Aktoren
Digital - Analog Wandlung
Ein D/A-Wandler basiert auf dem sog. Operations-Verstärker (OV).
+Vss
U2
-
Vout
+
U1
-Vss
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Aktoren
D/A-Wandlung: Widerstandsnetzwerk
1
1
1
1 ⎞
⎛ 1
U a = −U e ⎜
S0 +
S1 + ... + S 5 + S 6 + S 7 ⎟
128
8
4
2 ⎠
⎝ 256
(die Tafel ! )
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Aktoren
D/A-Wandlung: Widerstandsnetzwerk
U
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 Æ eine maximale Auflösung von 256 darstellbaren Werten
innerhalb eines Wertebereichs.
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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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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.
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Aktoren
Motoren
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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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.
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Aktoren
Motoren
Pulsweitenmodulation
Je länger die Einschaltdauer, desto schneller dreht sich der Motor.
(die Tafel)
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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
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Antriebskonzepte
Ein mobiler Roboter besitzt insbesondere Aktoren (z. b. Räder, Beine,
oder Ketten) zur Veränderung seiner Position in seiner Umgebung.
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Antriebskonzepte
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
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Antriebskonzepte
Differentialantrieb
Die beiden Antriebsräder liegen auf derselben Achse und werden getrennt angetrieben.
Mit Rädern kann ein Roboter auf glattem Untergrund höhere Geschwindigkeiten
erreichen.
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Antriebskonzepte
Differentialantrieb
• Einfache Konstruktion
• Hohes Moment für Kurvenfahrt
• Einfache Steuerung
• Schwierige Positionsbestimmung
• Auf der Stelle drehbar
• Sehr starke Reibung auf dem Boden
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Antriebskonzepte
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.
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Antriebskonzepte
Dreiradantrieb
Beispiel
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Antriebskonzepte
Sehr gute Spurtreue
Dreiradantrieb
• Der Roboter kann nicht auf der
Stelle drehen.
• Aufwändige Konstruktion
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Antriebskonzepte
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
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Antriebskonzepte
Ackermannlenkung
Der mobile Roboter hat eine Lenkung wie die von Autos bekannte Lenkung.
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Antriebskonzepte
SynchroDrive
Drei oder mehr angetriebene Räder werden synchron gelenkt
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Antriebskonzepte
SynchroDrive
Beispiel
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Antriebskonzepte
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
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Antriebskonzepte
Omnidirectional
Hardware Omnidrive Chassis.
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Antriebskonzepte
Omnidirectional
Vierrad mit Mecanum-Rädern
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Antriebskonzepte
Omnidirectional
Vierrad mit Mecanum-Rädern
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Antriebskonzepte
Omnidirectional
Beispiel:
Assistenzroboter (Universität
Bundeswehr München)
Omni-Rollstuhl der FernUniversität Hagen
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Antriebskonzepte
• Beweglichkeit
Omnidirectional
• Ebene Oberflächen
• Keine aktive Lenkung
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Antriebskonzepte
Differentialantrieb- Kettenantrieb
Hier wird der Roboter nicht von Rädern, sondern, wie ein Panzer, von zwei
Ketten angetrieben. Das Prinzip ist analog zum Differentialantrieb.
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Antriebskonzepte
Laufmaschinen
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Antriebskonzepte
Laufmaschinen
• Sehr flexible Fortbewegung auf eine
Gelände.
• Kompliziert zu bauen
• Biologisch plausibel.
• Kompliziert zu steuern.
• Energieversorgung schwierig.
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