Robotersysteme 1: Technische Grundlagen

275 Pages·1992·7.845 MB·German

by  Dr.-Ing. Dieter W. Wloka (auth.)

Dieter W Wloka
Robotersysteme 1
Technische Grundlagen
Mit 93 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg N ewYork
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Dr.-Ing. Dieter W. Wloka
Lehrstuhl flir Systemtheorie
der Elektrotechnik
Universitat des Saarlandes
1m Stadtwald
Gebaude 13
6600 Saarbriicken 11
ISBN-13: 978-3-642-93510-7 e-ISBN-13: 978-3-642-93509-1
DOl: 10.1007/978-3-642-93509-1
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Wloka,DieterW.:
Robotersysteme / DieterW.Wloka.
Berlin; Heidelberg; New York ; London; Paris; Tokyo;
Hong Kong ; Barcelona; Budapest: Springer
Bd. I. Technische Grundlagen. -1992
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1992
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60/3020 543210 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
Schon immer waren Menschen von der Idee fasziniert, einen kiinstlichen Menschen zu
erschaffen, urn ihn fiir ihre Zwecke einsetzen zu konnen. So beschreiben schon Ovid
und Homer Figuren aus Elfenbein und Gold, die zu Lebewesen werden. Auch im
I3.Jh. sollen Alchimisten erste Experimente unternommen haben, urn einen kiinstli
chen Menschen im Reagenzglas zu erzeugen. Uns allen ist Goethes Homunkulus (lat.
"Menschlein") aus seinem Werk "Faust" bekannt.
Auch die heutige Entwicklung des autonomen mobilen Roboters ist vielleicht aus
dieser Sicht zu begriinden. Diese Systeme sollen selbstandig Wahrnehmungen mit
Handlungen verbinden konnen. Dazu sind allerdings noch groJ3e Entwicklungsan
strengungen notwendig.
In einem industriellen Umfeld wird der Begriff "Roboter" niichterner gesehen. Hier
wird unter Roboter immer Industrieroboter verstanden. Dieser hat heute nichts mit
den Fahigkeiten oder dem Aussehen eines Menschen gemeinsam.
Die produzierende Industrie setzt Industrieroboter in zunehmendem MaJ3e integriert
in Roboterzellen ein. Dieser Schritt zur Automatisierung der Produktion bedingt
Investitionen in erheblichem Umfang. Planung und Programmierung von Robotern,
Roboterzellen sowie von Roboter-Fabrikationsanlagen miissen daher von vornherein
unter Aspekten der Sicherheit und der Wirtschaftlichkeit erfolgen.
Beim Einsatz einer Roboterzelle miissen komplexe Aufgabenstellungen verschieden
ster Art gelost werden. Urn z.B. eine Montagesequenz erfolgreich durchzufiihren, ist
die Anordnung der Roboter und der umgebenden Maschinen von groJ3er Wichtigkeit.
In dieser Phase, im allgemeinen als Zellentwurf bezeichnet, miissen alle Komponen
ten so angeordnet werden, daJ3 die Montageaufgabe gelost werden kann und moglichst
wenig Zeit und Energie verbraucht werden.
Nachdem eine Roboterzelle entworfen und aufgebaut ist, miissen die Abliiufe in der
Einrichtung geeignet vorgegeben werden. Diese Phase wird als Programmieren be
zeichnet. Ein sechsachsiger Roboter fiihrt mehrdimensionale Bewegungen in seinem
Arbeitsraum aus. Die Programmierung erfordert deshalb die Vorgabe des Ortes und
der Orientierung des Robotereffektors. Solche Angaben verlangen ein groJ3es riium
liches Vorstellungsvermogen des Programmierers. Treten mehrere komplexe Geome
trieforderungen gleichzeitig auf, ist der Programmierer meist iiberfordert und damit
nicht mehr in der Lage, die gestellte Aufgabe effizient zu losen.
VI VORWORT
Schwierige Aufgabenstellungen verlangen weiterhin die Erstellung komplexer Pro
gramme und unter Umstanden den Einsatz mehrerer Roboter. Arbeiten mehrere
Roboter zusammen, so sind die Probleme der Koordination der Bewegungen, Fragen
der Kollisionsvermeidung, des Kollisionsschutzes und des Zusammenspiels mit den
weiteren Komponenten der Roboterzelle zu lasen.
Eine Zwischenstufe hin zur Entwicklung autonomer mobiler Roboter ist der intel
ligente Industrieroboter. Er entspricht in seinem Aussehen heutigen mechanischen
Strukturen. Der Roboter ist allerdings mit einem Multisensorsystem und einem fle
xi bIen Greifersystem ausgestattet. Der inteUigente Industrieroboter verfiigt auch,
gegeniiber heutigen Robotern, tiber eine neuartige Steuerung.
Ein derartiges intelligentes Robotersystem verlangt den Einsatz von Spitzentechno
logien verschiedener Gebiete: Mechanik, Sensorik, Steuerungstechnik und Program
miertechnik. Hierbei ist auch der Einsatz von Verfahren der Kiinstlichen Intelligenz
nicht mehr wegzudenken.
Die aufgezeigten Problemfelder des heutigen Einsatzes von Robotern, die Probleme
bei der Entwicklung intelligenter Industrieroboter und autonomer mobiler Roboter,
kannen bei ihrer Lasung effizient durch den Einsatz von Simulationsverfahren in del'
Form von Robotersimulationssystemen unterstiitzt werden.
Die vorliegenden drei Bande zeigen die technischen Grundlagen von Robotersystemen
auf, wie ein System zur Simulation von Robotern aufgebaut ist und wie es eingesetzt
werden kann. Sie zeigen weiterhin, wie es durch die Integration von Verfahren del'
Kiinstlichen Intelligenz und durch Nutzung von neuronalen Netzen zu einem wissens
basierten Simulationssystem erweitert werden kann.
Band 1 - Technische Grundlagen
Band 1 gibt eine Einfiihrung in die Technik von Robotersystemen. Hier wird ein
modernes Industrierobotersystem in seinem Aufbau vorgestellt. Einsatzfelder von
Robotern bei Bearbeitungsvorgiingen, bei Transport- und Ladeaufgaben und bei del'
Montage und Inspektion werden aufgezeigt. Ein wichtiger Punkt bei allen Anwen
dungen ist die Planung der Roboterzelle. Hierftir werden verschiedene Verfahren
vorgestellt und die Vor- und Nachteile diskutiert.
Aktionen eines Roboters werden durch seine Programmierung bewirkt. Band 1 fiihrt
deshalb auch in die Programmierung del' Roboterzelle und in Programmiersprachen
fiir Roboter ein.
1m zweiten Teil wird die Kinematik und die Dynamik eines Roboters behandelt.
Zuniichst werden hierzu die erforderlichen mathematischen Grundlagen beschrieben.
Die Kinematik des Roboters wird dann ausfiihrlich hergeleitet: Vorgabe von Achsko
ordinatensystemen, Behandlung des direkten und inversen kinematischen Problems,
Verfahren zur iterativen und expliziten Berechnung.
1m letzten Teil werden dann verschiedene Verfahren zur Berechnung del' Dynamik
vorgestellt. Anhand der Verfahren von Newton-Euler und Lagrange wird dann gezeigt,
wie eine Dynamikberechnung durchgeftihrt werden kann.
VII
Band 2 - Graphische Simulation
Band 2 fiihrt ein in die graphische Simulation von Robotersystemen. Hierzu wird
zunachst ein Uberblick iiber Verfahren der 3D-Computergraphik gegeben. Es wird
dann ausgefiihrt, welche Verfahren es zum Aufbau eines Simulationsmodells von Ro
boterzellen gibt.
1m folgenden werden dann die einzelnen Komponenten eines Robotersimulations
systems ausfiihrlich aufgezeigt: Zell- und Roboterprogrammierung, Animation des
Modells und Benutzerschnittstellen. Hier wird auch gezeigt, wie heute mit moder
nen Eingabegeraten 6D-Manipulationen von Graphikobjekten durchgefiihrt werden
konnen.
Es wird dann im zweiten Teil das Robotersimulationssystem ROBS1M ausfiihrlich
vorgestellt: Modellierung, Konstruktion, graphische und textuelle Programmierung
und Animation. Anhand mehrerer Beispiele erhalt der Leser einen Einblick in die
Leistungsfahigkeit eines Robotersimulationssystems.
Band 3 - Wissensbasierte Simulation
Band 3 gibt im ersten Teil einen Uberblick iiber wissensbasierte Techniken. Hier
wird aufgezeigt, was der Begriff Kiinstliche 1ntelligenz bedeutet und wie damit das
menschliche Problemlosungsverhalten nachgebildet werden kann. Kern aller wissens
basierten Techniken ist die geeignete Reprasentation von Wissen. Es wird deshalb
gezeigt, wie Wissen in deklarativer Form reprasentiert werden kann und welche Vor
und Nachteile die einzelnen Reprasentationsformen besitzen. Vorgestellt werden im
einzelnen Semantische Netzwerke, Prodtiktionsregeln, objektorientierte Darstellungen
und logikbasierte Darstellungen.
Weiterhin wird der Aufbau und der Einsatz eines Expertensystems dargestellt. Die
wichtigsten Komponenten eines Expertensystems werden vorgestellt. Hier wird spezi
ell die Funktion der 1nferenzmaschine erlautert und die beiden wichtigsten Verfahren
zur 1nferenz, die Vorwarts- und die Riickwartsverkettung, ausfiihrlich vorgestellt.
Der zweite Teil zeigt auf, wie wissensbasierte Techniken mit Verfahren der Roboter
simulation kombiniert werden konnen. Hier wird zunachst ein Uberblick iiber die
wichtigsten Ansatze gegeben, die in der Literatur zu finden sind. Es wird dann ein
Konzept fiir ein wissensbasiertes Robotersimulationssystem und eine prototyphafte
1mplementierung vorgestellt. Hier wird auch gezeigt, daB mit Hilfe neuartiger Pro
grammiertechniken komplexe Roboterprogramme einfach zu erstellen sind.
Der dritte Teil befaBt sich mit dem Einsatz von neuronalen Netzen in der Roboter
simulation. Hier wird zunachst eine Einfiihrung in die Konzepte neuronaler Netze
gegeben. Netztypen und das Modell eines kiinstlichen Neurons werden vorgestellt.
Der Einsatz neuronaler Netze in den Gebieten Kinematik, Dynamik, Sensorik und
Regelung wird dann diskutiert. Anhand des Beispiels der inversen Kinematik wird
dann ausfiihrlich aufgezeigt, wie neuron ale Netze eingesetzt werden konnen.
Der dritte Band schlieBt mit einer Ubersicht, welche Techniken in zukiinftigen Robo
tersimulationssystemen eingesetzt werden konnen.
VIII VORWORT
Leserkreis
Diese drei Biinde sind gedacht fur Anwender von Robotersystemen, die diese im in
dustriellen MaBstab einsetzen und sich fur fortgeschrittene Methoden zur Planung
und Programmierung interessieren, fur Entwickler, die Robotersimulationssysteme
mit weiteren Komponenten im Rahmen einer CIM-Losung einsetzen wollen, und fur
alle Interessierten, die sich einen Uberblick uber Robotersimulation verschaffen moch
ten.
Den Mitarbeitem des Springer-Verlages, speziell Herm Dr. H. Riedesel gilt mein
besonderer Dank. Den Firmen ABB, CIS, IBM, Kuka, Mitsubishi und Scientific
Computers danke ich fur die freundliche Uberlassung von Bildmaterial.
Erwiihnt werden mussen an dieser Stelle alle Mitglieder der Forschungsgruppe fur
Robotertechnik (FORAC) der Universitiit des Saarlandes, Saarbrucken, die sich in
beispielhaftem Einsatz bei der Entwicklung des Robotersimulationssystems ROBSIM
engagiert haben und weiter engagieren. Nur durch diese Teamarbeit konnte solch ein
komplexes Softwaresystem geschaffen werden.
Herm Prof. Th. Kane, Stanford University, USA, bin ich zu groBem Dank verpflichtet
fur seine wertvollen Hinweise, die er zu den Themengebieten Kinematik und Dynamik
gegeben hat.
Frau Dipl.-Inf. C. Kemke, Deutsches Forschungszentrum fur Kunstliche Intelligenz
(DFKI), Saarbrucken, gilt ein Dankeschon fur ihre Hinweise, die sie zum Themenge
biet neuronale Netze gegeben hat.
Herm Dipl.-Ing. A. Uhlig, CIS, Viersen, sind wir zu groBem Dank verpflichtet. Er
hat durch seine groBzugige Unterstutzung uns sehr fruhzeitig den Zugang zu sehr lei
stungsfiihiger Graphikhardware ermoglicht und damit wesentlich zu besten Arbeits
bedingungen beigetragen.
Fur seine vielen Hinweise zur Textgestaltung mochte ich mich auch bei Herm W. Dorr,
Saarbrucken, ganz herzlich bedanken. Er spurte mit groBem Elan alle Schwachstellen
des Textes auf.
Mein besonderer Dank gilt an dieser Stelle Herm Prof. Dr.-Ing. H. Jaschek, Lehrstuhl
fur Systemtheorie der Elektrotechnik der Universitiit des Saarlandes, Saarbrucken.
Nur durch seine stete Forderung wurde die Realisierung von ROBSIM ermoglicht.
D. Wloka
Saarbrucken, im November 1991
Inhaltsverzeichnis
I Ro botersysteme 1
1 Ind ustriero botersysteme 3
1.1 Definitionen ..... 3
1.2 Robotergenerationen 4
1.3 Motivation des Robotereinsatzes 5
1.4 Aufbau eines Industrierobotersystems 5
1.5 Roboterkonfigurationen 14
1.6 Modulare Roboter 15
1.7 Spine-Roboter ... 18
2 Entwurf einer Roboterzelle 19
2.1 Layoutentwurf ..... 19
2.2 Uberlagerungsprobleme 22
2.3 Steuereinrichtung . . 23
2.4 Verriegelungssignale 25
3 Bearbeitungsvorgange 27
3.1 Punktschweif3en. . . 27
3.2 Licht bogenschweif3en 29
3.3 Schweif3en und Schneiden 32
3.4 Spritzbeschichtung .... 32
3.5 Sonstige Fertigungsvorgange . 33
4 Transport- und Ladeaufgaben 35
4.1 Anwendungen mit Materialtransport 35
4.2 Maschinelles Laden und Entladen . . 38
x INHALTSVERZEICHNIS
5 Montage und Inspektion 39
5.1 Teilezufuhr ..... . 39
5.2 Montagearbeitsgiinge. 40
5.3 Zentrieren.... ... 41
5.4 Aufbau eines Montagesystems . 42
5.5 Robotergerechte Teilekonstruktion 45
5.6 Automatische Inspektion ..... . 45
6 Programmierung der Roboterzelle 47
6.1 Direktes Programmieren durch Einlernen 48
6.2 Textuelle Programmierverfahren 49
6.3 Frame-Konzept .......... 50
6.4 Konzept der expliziten Programmierung 50
6.5 Konzept der impliziten Programmierung 51
6.6 Anforderungen an ein Programmiersystem 52
6.7 U mweltmodellierung .... 53
6.8 Spezifikation der Bewegung 54
6.9 Bewegungskontrolle und Programmierunterstiitzung 55
7 Programmiersprachen fUr Roboter 57
7.1 Grundelemente und Funktionen . 58
7.2 Bewegungsbefehle ..... 58
7.3 Definition von Positionen 60
7.4 Bahnen und Frames 60
7.5 Effektorbefehle .. 61
7.6 Signalkommandos . 61
7.7 Berechnungen und Operationen 61
7.8 Programmsteuerung 62
7.9 U nterprogramme .. 62
7.10 Kommunikation und Datenverwaltung 63
7.11 Monitork ommandos .......... 63
INHALTSVERZEICHNIS XI
II Kinematik und Dynamik 65
8 Mathematische Grundlagen 67
8.1 Koordinatensysteme 67
8.2 Vektoren....... 68
8.3 Homogene Koordinaten 72
8.4 Beschreibung von Koordinatensystemen 73
8.5 Transformationsbeziehungen....... 75
8.6 Wechsel des Referenzkoordinatensystems . 79
9 Homogene Transformationen 81
9.1 Transformationsoperatoren 81
9.2 Transformationsarithmetik . 83
9.3 Inverse Transformation. . . 84
9.4 Transformationsgleichungen 86
9.5 Beschreibung der Orientierung 89
9.6 Relative Transformationen . 91
9.7 Freiheitsgrade . 95
9.8 Ubungen. 96
9.9 Losungen 102
10 Kinematik eines Roboters 109
10.1 Starrkorpermodell .... 109
10.2 Verfahren nach Denavit und Hartenberg 111
10.3 Modifizierte Lage des Achskoordinatensystems 119
10.4 Beispiel Stanford-Arm 123
10.5 Ubungen . 128
10.6 Losungen 131
11 Inverse Kinematik 139
11.1 Existenz von Losungen . 140
11.2 Mehrfache Losungen 142
11.3 Losungsmethoden. 144
11.4 Ubungen . 147
11.5 Losungen 148