Bewegungskontrolle:Wo Mathematik und Physik Kollisionen verhindern

Robotik ist eine wahrhaft multidisziplinäre Domäne, die Elektrotechnik und Maschinenbau, Software- und Hardwaredesign einbezieht und auf Erkenntnissen aus so unterschiedlichen Bereichen wie Biologie, Ethik und Psychologie zurückgreift.

Mathematik und Physik stehen im Mittelpunkt und sind natürlich miteinander verflochten. Und beide werden verwendet, um eine Automatisierung zu erzeugen, die keine Kollisionen verursacht.

In diesem Beitrag werfen wir einen allgemeinen Blick auf die Grundlagen der Bewegungssteuerung, Kinematik und Kinetik. Wir werden überall Links zu nützlichen Ressourcen teilen, um mehr über Bewegungssteuerung und verwandte Konzepte aus den A3-Archiven und darüber hinaus zu erfahren.

Was ist Bewegungssteuerung?

Motion Control bezieht sich, wie der Name schon sagt, auf den Teilbereich der Automatisierung, der sich mit der kontrollierten Bewegung aller einzelnen Teile eines automatisierten Systems befasst. Die Steuerung der Bewegung von internen Motoren, Greiferspitzen, Portalen und allen anderen Komponenten der heutigen komplexen Automatisierung erfordert ein Verständnis der wichtigsten physikalischen Konzepte wie Kraft, Bewegung und Drehmoment sowie die Fähigkeit, komplexe Steuerungsalgorithmen auf reale Hardware anzuwenden.

Erfolgreich eingesetzt stellt die Bewegungssteuerung sicher, dass sich jeder Teil des Systems zu jeder Zeit dort befindet, wo er soll, was die Gesamtzuverlässigkeit und Wiederholbarkeit gewährleistet.

'Bewegungssteuerung' wird manchmal im strengen Sinne allein für die Steuerung der Bewegung von Motoren verwendet, aber im weitesten Sinne umfasst der Begriff alle Teile eines automatisierten Systems, wie Greifer und Portale. In diesem weiteren Sinne umfasst Motion Control Bahnplanung, Kinetik und Kinematik.

Ein typisches Bewegungssteuerungssystem besteht aus drei Komponenten:einer Bewegungssteuerung, einem Verstärker und einem oder mehreren Motoren.

Bewegungssteuerungen sind das Gehirn des Betriebs und dafür verantwortlich, sicherzustellen, dass der Motor den Anforderungen des Endbenutzers entspricht, einschließlich der Bewegungsbahn. Bewegungssteuerungen sind in den letzten Jahren kleiner geworden und intelligenter geworden, was es Herstellern ermöglicht, Bewegungssteuerungsintelligenz auf innovative und zunehmend nützliche Weise in ihre Designs zu integrieren.

Die E-Learning-Reihe von Yaskawa America auf YouTube enthält diesen nützlichen Überblick über die Grundlagen der Bewegungssteuerung:

https://www.youtube.com/watch?v=-ZWUSbMKAfg

Kinematik

In der Physik ist Kinematik ein Teilgebiet, das die Bewegung von Punkten, Körpern und Körpersystemen relativ zueinander durch Geometrie beschreibt.

In der Robotik bezieht sich Kinematik auf die Geometrie der Bewegung eines Roboters und beinhaltet kinematische Gleichungen, die es ermöglichen, die Position verschiedener Punkte innerhalb eines Automatisierungssystems zu berechnen. Entscheidend ist, dass die Kinematik nicht die Kräfte berücksichtigt, die eine Bewegung verursachen, sondern nur, ob die Bewegung möglich ist.

Vorwärtskinematik beinhaltet die Berechnung der Position eines Endeffektors aus den angegebenen Werten für die Gelenkparameter. Die inverse Kinematik berechnet die zugehörigen Gelenkwinkel basierend auf der Position des Endeffektors.

Die Videoserie "Introduction to Robotics" der Stanford University enthält diesen nützlichen Vortrag über Kinematikkonzepte:

https://www.youtube.com/watch?v=QKyDrUonp98

Kinetik

In der Physik bezieht sich Kinetik auf das Studium der Kräfte, die auf Körper oder Teilchen wirken, die für deren Bewegung verantwortlich sind. In der Robotik geht es darum, die im System vorhandenen Drehmomente und Kräfte inklusive des elektrischen Stroms zu berechnen und auszuwerten. Newton-Euler- und Lagrange-Gleichungen werden hier verwendet, um ein dynamisches Modell eines Automatisierungssystems bereitzustellen oder die Kräfte und Momente zu bestimmen, die auf die starren Verbindungen eines Robotermanipulators wirken.

Weitere Lektüre aus den A3-Archiven:

Was ist Bewegungssteuerung?

Bringen Closed-Loop-Funktionalität in Schrittmotoren

Und darüber hinaus:

Das Center for Robotics and Biosystems der Northwestern University in den USA hat als Ergänzung zu "Modern Robotics:Mechanics, Planning, and Control" (Lynch and Park, Cambridge University Press, 2017), die alle auf YouTube verfügbar sind, darunter:

https://www.youtube.com/watch?v=QFCbTVJqm8I

Leitfaden zur Vorwärts- und inversen Kinematik von Professor Michael Milford von der Queensland University:

https://www.youtube.com/watch?v=VjsuBT4Npvk

Kinematik und Kinetik von Robotern – Eine kurze Übersicht, ScienceDirect