Realisierung eines ferngesteuerten autonomen mobilen Roboters

1;Realisierung eines ferngesteuerten autonomen mobilen Roboters Entwurf eines Ausbildungskonzeptes für Robotik;1 1.1;Einleitung;3 1.2;Das Inhaltsverzeichnis;5 1.3;Abbildungsverzeichnis;7 1.4;1 Grundlagen der Automatisierung;9 1.4.1;1.1 Automatisierungstechnik;9 1.4.1.1;1.1.1 Einfache Automatisierung im Sinne von Fertigungsprozessen;11 1.4.1.2;1.1.2 Flexible Automatisierung im Sinne von Fertigungsprozessen;12 1.4.1.3;1.1.3 Intelligente Automatisierung;13 1.4.2;1.2 Robotik;18 1.4.2.1;1.2.1 Definitionen und Begriffsentstehung;19 1.4.2.2;1.2.2 Industrieroboter;22 1.4.2.3;1.2.3 Autonome mobile Roboter;23 1.4.2.4;1.2.4 Anforderungen an Robotern und deren Einsatz;25 1.5;2 Beschreibung der Komponenten des Gesamtsystems;29 1.5.1;2.1 Der Roboter IR 50 p;29 1.5.2;2.2 Teilsysteme eines Roboters;31 1.5.2.1;2.2.1 Gelenke;31 1.5.2.2;2.2.2 Arbeitsraum und Grundkonfiguration;34 1.5.2.3;2.2.3 Der Roboterantrieb;35 1.5.2.3.1;2.2.3.1 Funktionsprinzip der elektrischen Antriebe in Robotertechnik;37 1.5.2.3.2;2.2.3.2 Wirkungsweise von Gleichstrommotoren;37 1.5.2.3.3;2.2.3.3 Fremderregter Gleichstrommotor;42 1.5.2.3.4;2.2.3.4 Gleichstrommotor mit Nebenschlussverhalten;44 1.5.2.3.5;2.2.3.5 Der Servomotor;46 1.5.2.3.6;2.2.3.6 Der Schrittmotor;50 1.5.2.4;2.2.4 Der Lageregler;55 1.5.3;2.3 Kinematik;66 1.5.3.1;2.3.1 Roboterkinematik;67 1.5.3.2;2.3.2 Programmiersoftware TBPS des Roboters IP 50 p;73 1.5.4;2.4 Der Fahrzeugantrieb;77 1.5.4.1;2.4.1 Der Bürstenlose Nabenmotor;80 1.5.4.2;2.4.2 Läuferlage-Gebersysteme für die EK-Maschinen;82 1.6;3 Praktische Entwicklung und Realisierung des Gesamtsystems;86 1.6.1;3.1 Das Fahrwerk;86 1.6.1.1;3.1.1 Konstruktion des Fahrwerkgrundgestells und der Auflageplatte;87 1.6.1.2;3.1.2 Entwurf des Kopplungsgliedes unter Berücksichtigung derKorrosionsfrage;88 1.6.1.3;3.1.3 Auswahl der Antriebsart;94 1.6.2;3.2 Leistungsbedarf und Leistungsangebot des Fahrwerks;100 1.6.2.1;3.2.1 Leistungsbedarf an den Antriebsrädern;100 1.6.3;3.3 Energiespeicher;109 1.6.3.1;3.3.1 Leis
tungs- bzw. Arbeitsbedarf des Gesamtsystems;110 1.6.3.2;3.3.2 Speichervermögen der Sekundärbatterien;112 1.6.3.3;3.3.3 Auswahl des geeigneten Energiespeichers;121 1.6.4;3.4 Die Spannungsversorgung des Gesamtsystems;122 1.6.4.1;3.4.1 Prinzipieller Aufbau der Gesamtspannungsversorgung;123 1.6.4.2;3.4.2 Stufenweise Entwicklung der Spannungsversorgung;126 1.6.4.3;3.4.3 Sicherheitsaspekt bei der Spannungsversorgung;138 1.6.5;3.5 Steuerung und Regelung der elektrischen Antriebskomponenten;139 1.6.5.1;3.5.1 Elektrische Anfahrmittel;139 1.6.5.2;3.5.2 Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren;139 1.6.5.3;3.5.3 Gleichstromsteller;143 1.6.5.4;3.5.4 Regelung der bürstenlosen Motoren;146 1.6.6;3.6 Rechnerunterstützte Systemkommunikation;150 1.6.6.1;3.6.1 Netzwerk als Wireless LAN;151 1.6.6.2;3.6.2 Drahtlose Ansteuerung der bürstenlosen Nabenmotoren;153 1.6.6.2.1;3.6.2.1 Der IC Bus;156 1.6.6.2.2;3.6.2.2 Ansprechen des I2C Interfaces unter Linux;160 1.6.6.2.3;3.6.2.3 Sollwerterzeugung mittels eines DA-Wandlers;161 1.7;4 Diskussion;165 1.7.1;4.1 Ausblick;166 1.7.2;4.2 Zukünftige Anwendungen;169 1.8;5 Anhang;171 1.8.1;5.1 Roboterbefehle und Kommandos;171 1.8.2;5.2 Technische Daten des Roboters IR 50 p;172 1.8.3;5.3 Arbeitsraum des Roboters IR 50p;173 1.8.4;5.4 Schaltplan IC Interface;174 1.8.5;5.5 Schaltplan DA-Wandler;175 1.8.6;5.6 Programmquellcode;176 1.9;6 Literaturverzeichnis;179

Dusko Lukac, Dipl.-Ing. (FH) Elektrotechnik. Anschließend Master of Business Administration (MBA) Studium an der University of East London (East London Business School). Derzeit tätig als Dozent an der Rheinischen Fachhochschule Köln gGmbH.

Kapitel 1.2.4, Anforderungen an Robotern und deren Einsatz

Die Leistungsfähigkeit elektronischer Systeme verzehnfacht sich derzeit etwa alle 5 bis 7 Jahren. Insofern verwundert es kaum, dass die Informationstechnik immer mehr Wirtschaftsbereiche durchdringt. Allem voran sind es Fortschritte in der Mikroelektronik, der Bildverarbeitung und der Sensorik, die auch der weiteren Automatisierung zahlreicher Fertigungsprozesse in erheblichen Umfang Vorschub leisten. Die Leistungskriterien von Robotern und die Vorgehensweise bei der Erfassung sind umfassend in der Europäischen Norm EN 29283 zusammengefasst. Nicht zuletzt aufgrund vereinfachter Steuerung und gesunkener Kosten werden immer breitere Anwendungsbereiche für Roboter verzeichnet. Die oben dargestellte Tabelle gibt einen Überblick über Anforderungen an Robotern und Robotersteuerungen für verschiedene Anwendungsbereiche. Da exakten Anforderungen immer stark abhängig von Details der Aufgabenstellung sind, kann die globale Beurteilung nur eine grobe Hilfestellung bezüglich der Anforderungen sein. 

Roboter werden auch für spezielle Anforderungen gebaut. Die größten Anforderungen werden an Roboter gestellt, die in Ex- Schutz- Ausführung hergestellt werden sowie an Roboter die in Vakuum eingesetzt werden. Bei der Ex- Schutz- Ausführung werden besondere Maßnahmen zur Vermeidung von Funkenbildung getroffen und bei den Robotern für den Vakuumeinsatz ist zu beachten, dass Fette, Kabel und sonstige Kunststoffmaterialien nicht ausgasen und verspröden. Außerdem ist darauf zu achten, dass die Restluft in den Hohlräumen des Roboters wegen der Einhaltung des Vakuumzustandes leicht abgesaugt werden kann. Sehr bedeutende Märkte für die Sonderanfertigung von Robotern sind der Lebensmittel- und Arzneimittelbereich. Hier werden Roboter eingesetzt die über Qualifikation für R
einraum - Anwendungen verfügen.Während sich bundesweit rund 200 Unternehmen der Robotik - Industrie auf die industrielle Bildverarbeitung spezialisiert haben finden sich in den anderen Segmenten wie z.B. Montage, Systeme+Komponenten und Handhabungstechnik im engeren Sinne schwerpunktmäßig etwa 300 deutsche Unternehmen. Hauptabnehmer war bislang die Autoindustrie, bei der derzeit immerhin etwa die Hälfte der neu hergestellten Industrierobotern zum Einsatz kommen, was im großen Umfang den Unternehmen Profit und Wettbewerbsvorsprung gebracht hat. Die Bundesrepublik Deutschland gehört nach Angaben des VDMA zu einem der weltweiten Marktführer in der Automatisierungstechnik. Das Weltmarktvolumen der Automatisierungstechnik ist aktuell mit etwa 170 Mrd. DM zu veranschlagen, wovon 22 Mrd. DM auf Deutschland entfallen. Daraus ist leicht zu schließen dass eine Ausbildung in diesem Bereich von der Industrie sehr gefragt ist. Durch die Vereinfachung der Steuerungstechnik und leichte Programmierbarkeit bei gleichzeitig höherer Störresistenz und Zuverlässigkeit wurde die Akzeptanz der Robotik bereits in den Vergangenheit maßgeblich gesteigert. 

Hinzu kommen deutlich gesunkene Anschaffungskosten sowie stark gesunkene Betriebskosten was Automatisierung nun sogar für mittelständische Unternehmen attraktiv erscheinen lässt: So haben sich die Roboterpreise nach Einschätzung der VDMA - gemessen als Produktionswert pro Stück - von 200.000 DM im Jahr 1985 auf aktuell ca. 90.000 DM mehr als halbiert. Da sich dieser Trend auch in nächsten Jahren fortsetzen wird, rechnet man nach Einschätzung der Dresdener Bank für das Jahr 2005 mit einem Stückpreis pro Roboter, in Höhe von knapp 75.000 DM. Der Stückpreisentwicklung der letzten 15 Jahren ist in der unten angegebenen Abbildung dargestellt.Nach Einschätzung der genannten Institutionen dürfte d
as jährliche Wachstumspotenzial des Robotermarktes bis 2010 auch weiterhin im Mittel bei nominal rund 10% und real ca. 15 % pro Jahr liegen und damit die durchschnittliche Zuwachsrate der Gesamtindustrie weiterhin deutlich übersteigen. 

Die Anzahl der eingesetzten Roboter wird dabei vor allem in den USA, Westeuropa und Südkorea weiter stark zunehmen und sich in den nächsten 10 Jahren zum Teil verdoppeln. Nur im Japan wird dagegen Bestandsrückgänge erwartet, da die japanische Statistik durch den Ausweis auch von ein- und zweiachsigen Bewegungsmodulen als Roboter künstlich aufgebläht worden ist. Diese Geräte werden zunehmend von frei programmierbaren High- Tech- Entwicklungen mit mindestens drei Achsen, also eigentlichen Robotern, verdrängt. Der geschätzter Roboterbestand im Einsatz ist in der Abb.9 dargestellt.In den nächsten Jahren wird zudem die Bedeutung der Servicerobotern zunehmen. Ihr Marktpotenzial dürfte nach Einschätzungen in zweistelligen Milliardenbereich angesiedelt sein. Als zukünftige Anwendungsgebiete der Servicerobotern sind neben Selbstbedienungssystemen im Einzelhandel sowie Recycling oder Demontage unter anderem vollautomatische Betankungsanlagen denkbar, die vor allem im Hinblick auf neue und möglicherweise gefährliche Antriebsstoffe wie z.B. Wasserstoff als sinnvoll erscheinen. Die künftige Einschätzung des Einsatzes der Roboter bekräftigt die Wichtigkeit der Robotik als Wissenschaftsgebiet und macht deutlich dass derzeit aber auch künftig, der Bedarf an Fachkräften aus diesem Bereich für die große und mittelständige Unternehmen, mittel- und langfristig gedeckt werden muss und deren Einsatz für die Industrie unentbehrlich bleibt. Daher ist es wichtig auf dem Gebiet der Robotik entsprechende Ausbildungskonzepte zu entwickeln, die den Nachwuchskräften eine effiziente Einführung in den theoret
ischen und praktischen Teil dieses Wissenschaftsgebiets ermöglichen.

Einfache Automatisierung im Sinne von Fertigungsprozessen: Die älteste Form der Fertigung ist die manuelle Fertigung, bei der die Erzeugnisse ganz oder vorwiegend in Handarbeit, mit zwingender Anwesenheit des Menschen erstellt werden. Die einsetzende Industrialisierung im 18. und 19 Jahrhundert drängte die manuelle Fertigung zurück und erforderte immer mehr, technische Prozesse ohne die Anwesenheit des Menschen durchzuführen. Damit begann die Automatisierung. In der heutigen Zeit findet man die manuelle Fertigung , bei solchen Tätigkeiten, die viel Kreativität und Handgeschicklichkeit verlangen. Berufe wie Töpfer, Schuhmacher, Goldschmiede, Zahntechniker sind Beispiele, bei denen Handarbeit vorherrscht. Aus Kostengründen ist eine manuelle Fertigung bei einmaligen oder selten vorkommenden Arbeitsvorgängen sinnvoll, aber auch hier werden immer mehr technische Hilfsmittel eingesetzt. Mechanisierung als Vorstufe der einfachen Automatisierung liegt dann vor, wenn Erzeugnisse mit Hilfe von Maschinen erstellt werden. Manuelle Tätigkeit wird teilweise oder vollständig durch mechanische Vorrichtungen oder Maschinen ersetzt. Die Tätigkeit des Menschen bleibt dabei an den Produktionsprozess gebunden und besteht darin die Arbeitsvorgänge zu steuern, die Werkstücke zu transportieren und den Produktionsablauf zu überwachen.

Maschinelle Fertigung brachte den Vorteil mit sich, dass die körperliche Belastung der Arbeiter durch die zunehmende Mechanisierung vermindert wurde. Der Einsatz von Maschinen ist aus wirtschaftlicher Sicht immer dann zu empfehlen, wenn häufig vorkommenden Arbeitsvorgänge auszuführen sind und insbesondere dann wenn eine Serien- und Massenfertigung erforderlich ist. 

Die Automatisierung wird definiert als „Durchführung automatischer Operatio
nen gelenkt durch Programmbefehle bei automatischer Messung des Vorgangs, Rückkopplung und Entscheidungsfindung „[Encyclopaedia Britannica] Eine einfache Automatisierung im Sinne eines Fertigungsprozesses liegt dann vor wenn die einzelnen Vorgänge in einem Betrieb von einem Arbeitsautomaten erledigt werden, welcher die einzelnen Vorgänge selbständig mit vorgegebenen Anforderungen vergleicht und Abweichungen korrigiert. Ist sowohl Arbeitsprozess als auch innen betrieblicher Gütertransport, wie dies z.B. bei Produktionsprozessen der Fall ist, die mit automatischen Transporteinrichtungen (z.B. Fliessbändern) arbeiten, ist eine vollautomatisierte Fertigung gegeben. Aus Kostengründen erscheint sie als sinnvoll, wenn Arbeitsgänge aufgrund großer Stückzahl ständig zu wiederholen sind.

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