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Über dieses Buch

Steigen Sie ein in die Praxis der Roboter-Manipulatoren – Mit Band 2 des umfangreichen Lehrbuchs von Jörg Mareczek

Während der erste Band des Lehrbuchs den Schwerpunkt auf die theoretischen Grundlagen der Modellbildung von Manipulatoren legt, widmet sich der zweite Band auf dieser Basis den Grundlagen für die Auslegungsarbeiten bei Roboter-Manipulatoren. Dazu gehören unter anderem die folgenden Themengebiete der Roboterforschung:

· Pfad- und Bahnplanung

· Antriebsauslegung

· Regelung

Mit dem zweiten Band des Lehrbuchs der Robotik erhalten Sie die wichtigsten Auslegungstätigkeiten bei der Entwicklung von Roboter-Manipulatoren kompakt auf einen Blick.

Geeignet für fortgeschrittene Studierende oder berufserfahrene Entwickler

Den zweiten Band des Lehrbuchs über die Grundlagen der Roboter-Manipulatoren können Sie größtenteils unabhängig vom ersten Band lesen. Der Autor legt den Fokus auf die Vermittlung eines breit angelegten Grundlagen-Wissens. Er erläutert ebenso einfach wie anschaulich die Entwicklung verschiedener Lösungsstrategien und deren Umsetzbarkeit. Gleichzeitig nähert er sich komplexen Zusammenhängen und versucht, diese verständlich zu erläutern. Dazu zählen unter anderem:

· Euler-Drehung

· Steuerungstechnik

· Regelungsverfahren

Auch im zweiten Band seines Lehrbuchs gestaltet Mareczek alle Themen sehr anschaulich mit farbigen 3D-Illustrationen, praxisorientierten Beispielen und kleinen Darstellungsschritten. Jedes Kapitel beinhaltet weitere Literaturempfehlungen zur Maschinen- und Roboterforschung, die sich zum Selbststudium und zur Vertiefung einzelner Abschnitte eignen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

6. Pfad- und Bahnplanung

Zusammenfassung
In der Robotik bezeichnet man den Weg eines Endeffektors als Pfad. Weist man den Pfadpunkten der Reihe nach streng monoton anwachsende Zeitpunkte zu, so ergibt sich eine Bahn. Ein Pfad kann dabei entweder im Gelenkraum bzw. Konfigurationsraum durch Gelenkwinkelsets oder im Arbeitsraum durch die Endeffektorlage beschrieben werden. Einfache Verfahren realisieren als Pfad eine Gerade zwischen Start- und Zielpunkt. Eine Gerade im Gelenkraum bezeichnet man dabei als PtP-Pfad, im Arbeitsraum als Linear-Pfad. Aufwendigere Verfahren ziehen zur Kollisionsvermeidung weitere Punkte hinzu. Hierfür werden zwei erprobte Verfahren behandelt und an Beispielen detailliert erläutert: Die Potentialfeldmethode sowie die zufallsorientierte Wegenetzmethode.
Zur Bahnplanung werden drei in der Praxis häufig anzutreffende Methoden hergeleitet und an Beispielen erläutert: PtP-Bahn mit trapezförmigem Geschwindigkeitsverlauf, Interpolation von Pfadpunkten durch Polynome (Interpolationspolynome) sowie durch Splines (Spline-Interpolation).
Jörg Mareczek

7. Antriebsauslegung

Zusammenfassung
Typische elektrische Antriebssysteme bestehen aus Motor, Umrichter, Getriebe und Zwischenkreis. Diese Komponenten werden von einer Vielzahl technischer Parameter bestimmt. Eine Antriebsauslegung soll diese Parameter so festlegen, dass ein gefordertes Lastfallkollektiv „fahrbar“ wird. Zusätzlich liegen restriktive Randbedingungen vor, wie zum Beispiel Grenzwerte für Wärmeverluste, Zwischenkreisspannung und -strom, Getriebeeingangsdrehzahl sowie Controller-Strom. Außerdem sollen potenzielle Entwurfsfreiheitsgrade wie Drehzahl- oder Drehmomentreserven, sowie eine reduzierte Geräuschbelastung genutzt werden. Dies resultiert in ein komplexes Optimierungsproblem.
Hierfür ist es heute immer noch gängige Praxis, alle möglichen Kombinationen der Parameter in Simulation und Experiment „durchzuprobieren“. Falls damit überhaupt eine Lösung gefunden wird, so ist sie zeit- und kostenintensiv. Um dies zu vermeiden, wird unter Nutzung von Modellwissen ein systematisches Auslegungsverfahren in kleinen Schritten hergeleitet, in einer rezeptartigen Prozessanweisung zusammengefasst und an Beispielen detailliert erläutert.
Jörg Mareczek

8. Regelung

Zusammenfassung
Bei Manipulatoren wird Regelung hauptsächlich dafür eingesetzt, Gelenke einer kommandierten Bahn folgen zu lassen und dabei unempfindlich gegenüber Störeinflüssen zu sein. Für eine Mehrzahl der in der Automatisierung eingesetzten Manipulatoren werden hierfür seit jeher dezentrale, antriebsseitige PD-Regler mit Gewichtsaufschaltung und Bahnvorsteuerung erfolgreich verwendet. PD-Regelung zählt zu den einfachsten Regelungskonzepten. Wendet man dieses relativ einfache Regelungskonzept auf die stark nichtlineare und verkoppelte Regelstrecke eines Manipulators an, so ergibt sich ein äußerst komplexes Verhalten. Eine erfolgreiche Reglerauslegung erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der dabei zugrundeliegenden Zusammenhänge. Diese werden – gestaffelt nach anwachsender Komplexität – in drei Stufen detailliert hergeleitet. Kleine Herleitungsschritte, ein reduzierter mathematischer Abstraktionsgrad sowie umfangreiche erläuternde Beispiele erleichtern dabei das Verständnis. Die Herleitungen münden in einen rezeptartigen Regler-Auslegungsprozess, der auch reale Einflüsse berücksichtigt, wie Stellgrößenbeschränkungen, Quantisierungsrauschen, Resonanzen und Perturbationen.
Jörg Mareczek

Backmatter

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