Robotik „Mein Roboter erledigt das für mich“

myResearch
Robotik
„Mein Roboter erledigt das für mich“
Wien 2008-10-30
Dipl. Ing.(FH) Christof Hieger
© Hieger C., Technikum Wien - Institut Mechatronics
Persönliche Daten
Dipl.Ing.(FH) Christof Hieger
Institut Mechatronics
Email: [email protected]
am Technikum Wien tätig seit 2007
Schulbildung
Automatisierungstechnik HTL u. VA, St.Pölten
Fachhochschule Technikum Wien Mechatronik/Robotik
Unterricht:
Grundlagen der Robotik
Industrierobotik
Grundlagen der Mechatronik
Auslegung und Berechnung von
Robotern
Robotersimulation
Projektschwerpunkte:
Industrierobotik
Servicerobotik
© Hieger, C., Technikum Wien – Institut Mechatronics
1
Übersicht
1. Do., 23.10.2008
Forschung und Entwicklung in der Robotik
2. Do., 30.10.2008
Entstehung der Mechatronik/Robotik – Grundlage für den
Ist – Stand der Technik – humanoide Roboter
3. Do., 06.11.2008
Industrierobotik – Vorbereitung für die Exkursion „Technikum
Wien“
4. Do., 20.11.2008
Laborübungen Exkursion „Technikum Wien“
5. Do., 04.12.2008
Exkursion „Roböxotica“
6. Do., 18.12.2008
Projektpräsentationen
7. Do., 08.01.2008
Entstehung einer Forschungsarbeit
8. Do., 22.01.2008
Ideenausarbeitung
© Hieger, C., Technikum Wien – Institut Mechatronics
Technikum Wien
Institut Mechatronics
Dipl.Ing.(FH) Christof Hieger
Industrie- und Servicerobotik
Email: [email protected]
Büro: Tower C1.05
© Hieger, C., Technikum Wien – Institut Mechatronics
2
Mechatronik
1969
Der Begriff Mechatronik (Mechanik + Elektronik) wurde von der Firma Yaskawa
Electric Corporation, Mr. Tetsuro Moria (senior engineer) geprägt.
Mechatronik nach VDI Richtlinie 2206
Mechatronik bezeichnet das synergetische Zusammenwirken der Fachdisziplinen
Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik beim Entwurf und der Herstellung
industrieller Erzeugnisse sowie bei der Prozessgestaltung.
Motto: intelligente Maschinen
Bild: DARPA Wüstenrallye
© Hieger, C., Technikum Wien – Institut Mechatronics
Was ist Mechatronik ?
Mechatronik = Mechanik
M
+ Elektronik + Informatik + Mechatronik
M
M
AV
Mechanik
Mechanik
M
ro
n
ik
M
ik
fo
rm
at
nik M
tro
El
ek
t
In
ek
El
Mechatronik
at
m
r
fo
In
ik
© Hieger, C., Technikum Wien – Institut Mechatronics
3
Beispiel für die Mechatronik
Was haben diese Geräte gemeinsam ?
Ein mechatronisches System ist fähig die Umgebung wahrzunehmen, Entscheidungen
aufgrund von Informationen zu treffen und diese Auszuführen.
© Hieger, C., Technikum Wien – Institut Mechatronics
Was ist Mechatronik ?
Abb.: Ablauf eines mechatronischen Systems
Abb.: Diagramm eines mechatronischen Systems
© Hieger, C., Technikum Wien – Institut Mechatronics
4
Historische Entwicklung der Robotik (1)
1919 Im Science-Fiction- Theaterstück „Rossum‘s Universalroboter“ von Karel
Čapek taucht das erste mal der Begriff Roboter auf („rabota“ = arbeiten)
1935 erster frei programmierbare Rechner „Z1“, gebaut von Konrad Zuse
1942 Isaac Asimov schreibt das Buch „Runaround“, in dem er seine 3 Gesetze
der Robotik formuliert.
1.
Ein Roboter darf niemals einen Menschen verletzen, oder durch.
Nichthandeln zulassen, dass ein Mensch zu Schaden kommt.
2.
Ein Roboter muss den Befehlen, die ihm von Menschen gegeben
werden, gehorchen, außer wenn sie mit dem ersten Gesetz in
Widerspruch stehen.
3.
Ein Roboter muss seine eigene Existenz schützen, solange der
Selbstschutz nicht gegen das erste oder zweite Gesetz verstößt
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Robotik
Seite 9
Historische Entwicklung der Robotik (2)
1954 Geor Devol entwickelt den ersten Roboter „Unimate“. Er wog 2 Tonnen
und wurde durch ein Programm auf Magnettrommeln gespeichert.
1961 Joseph Engelberger kauft die Rechte von Devol und gründet das USRoboterunternehmen „Unimation“. Bei General Motors werden die ersten
Industrieroboter installiert.
1966 Mobiler Roboter Shakey konnte durch acht Räume navigieren (Stanford).
Zum ersten Mal wird Fuzzy Logik praktisch demonstriert.
1971 Stanford Arm wird in den USA entwickelt.
Erster Robotereinsatz in Deutschland bei Daimler-Benz.
1980 Boom der Industrierobotik
1997 Der humanoide Roboter ASIMO von Honda wird veröffentlicht
2004 Die beiden Mars Exploration Rover „Spirit, MER-A“ und „Opportunity,
MER-B“ führen erfolgreiche geologische Untersuchungen auf dem Mars
durch.
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Robotik
Seite 10
5
Robotergeschichte
1.Jhd n. Chr. Heron von Alexandria
Gelehrter, Wissenschaftler
Bild: Herons Tempeltüren
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Robotik
Seite 11
Robotergeschichte
1721 – 1790 Pierre Jaquet-Droz
Sohn eines Schweizer Uhrmacher
Bild: Pierre Jaquet Droz
Bild: Automat Zeichner
Die Automaten werden
mithilfe von Nockenscheiben
und Nockenwellen gesteuert
Bild: Jaquet Droz Automaten (Schreiber, Organist und Zeichner
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Robotik
Seite 12
6
Robotergeschichte
Roboter der 1. Generation
Eingeschränkte Funktionen
Eng mit Automaten verwandt
Keine Wahrnehmung
Roboter der 2. Generation
Besaßen bereits Sensoren
Wahrnehmung der Umwelt
Roboter der 3. Generation
Synthese aus jahrtausendlanger
Forschung
Künstliche Intelligenz
Bild: erster Industrieroboter Unimate
(Universal Automation);
erste Generation
Bild: erster mobiler
Roboter Shakey
Zweite Generation
© Hieger, C., Technikum Wien – Institut Mechatronics
Cog & Kismet
1990
Kismet
entwickelt am MIT in Bosten
Menschliche Bedürfnisse
Sozialer Kontakt
Bild: Kismet
1993
COG
entwickelt am MIT in Bosten
Erster lernfähige Roboter
Sehen, Hören und Fühlen
Ahmte einfache Bewegungen
nach:
Plattform auf Rädern
Bild: humanoider Roboter COG
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Robotik
Seite 14
7
Fortbewegungsarten
- einfach
- schlechte Geländegängigkeit
- am Stand drehbar
- Geländegängig
- universal einsetzbar
- noch nicht ausgereift
(Forschung)
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Bewegungskonzepte
„Random Walk“
ohne Hinderniserkennung
einfach
bestimmte Zeit vorwärts
=> zufällige Drehung
Räder drehen bei
Kollision durch
Abb. Bahnkurve eines zufallsgesteuerten Roboters (ohne Hinderniserkennung) (Katzenmeier (2),
2006)
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
8
Bewegungskonzepte
„Random Walk“
mit Hinderniserkennung
effektiver als ohne H.
bestimmte Zeit vorwärts
=> zufällige Drehung
bei Kollision zufällige
Drehung
Energieeinsparung
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Bewegungskonzepte
„Zick-Zack- förmige Bahnkurve“
ganzer Raum wird abgefahren
schnell
bei zunehmender Komplexität
wenig effektiv
„Spiral- förmige Bahnkurve“
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
9
Bewegungskonzepte
„Wandverfolgende Bahnkurve“
Bahn entlang einer Wand
Benutzung von seitlichen Detektoren
Probleme bei herumstehenden
Möbelstücken
Abb. Problem der Wandverfolgung
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Bewegungskonzepte
„Kombinierte Bahnkurve“
Nachteile der einzelnen Bewegungskonzepte
werden minimiert
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
10
Staubsaugerroboter
Roomba 560
Sensoren wurden ursprünglich für den Militärbereich konzipiert
2004 verkaufte iRobot in den USA eine halbe Million Stück
Größe:
Durchmesser 33,65 cm
Höhe 7,03 cm
Sensorik:
180°Bumper
Infrarotsensoren
4 Absturzsensoren
Wandlaufsensor
Schmutzsensor
Laufzeit max. 120 Minuten
Ausführung mit Ladestation
virtuelle Wand
Preis: 400€
Abb.: iRobot Roomba Vacuum Cleaning Robot
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Staubsaugerroboter Scooba
Absaugen
Saugen
Schruppen
Preis: 300 – 500 $
Waschen
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
11
PaPeRo
Partner Personal Robot
1997 entwickelt in Japan NEC Corporation
spricht mehr als 650 Sätze
kann Gesichter und Ausdrücke erkennen
Gewicht 5kg
CCD Kamera; Mikrofon; Ultraschallsensoren
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Aufgaben an die humanoide Robotik
Fühlen (Haut, Knochen, Muskeln)
kontinuierlicher Bewegungsablauf
Emotionen (Gefühlsausdrücke mit der Mimik, Bewegung der Augen)
Wahrnehmung von Gefühlen
Spracherkennung
Personenerkennung (Duft, Iris 226 Punkte)
Energieversorgung
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
12
Humanoide Robotik
Was ist ein humanoider Roboter ?
anthropomorphe Gestalt
Fortbewegung auf zwei Beinen
agiert in der menschlichen Umgebung
lernfähig
Fähig der Interaktion zwischen Mensch / Roboter
Kommunikationsfähig
Flexibel
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Humanoide Robotik
Wo steht die Humanoide Robotik heute ?
Technologische Voraussetzungen sind gegeben
gesellschaftliches Interesse ist vorhanden
größerer Marktanteil als Computer wird prognostiziert
Schritt vom Forschungsstadium/Gebrauchsobjekt
Japan weltweit führend bei Investitionen
Soziale Fragestellungen:
Wollen Menschen überhaupt mit Robotern interagieren ?
Nationen reagieren unterschiedlich auf Roboter
Zielgruppe muss genau studiert werden
Kann die Sicherheit gewährleistet werden ?
Arbeitsstellenvernichter ?
Abb.: Star Wars C-3PO
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
13
Humanoide Robotik- Einsatzgebiet
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Wabot I &II
entwickelt 1973 Waseda Universität
Tokio
erster humanoider Roboter
Abb.: Wabot II (1984)
Abb.: Wabot I
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
14
PINO
Schwerpunkt Design der äußeren Hülle
Standartbauteile
26 Freiheitsgrade
Schnittstelle RS232c
Preis 45000€
Freiheitsgrade
5 pro Arm
6 pro Bein
2 Rücken
2 Nacken/Kopf
PINO (2001)
Größe:
75 cm
Gewicht: 8 kg
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
PINO
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
15
Humanoide Roboter - Laufbeschreibung
Anforderungen:
stabiler Lauf
flüssiger Bewegungsablauf
kontinuierlich
Geschwindigkeit
gute Regulierbarkeit
Phasen einer Laufbewegung:
Ferse verlässt Boden
Fuß verlässt Bode
Fuß am höchsten Punkt
Fuß berührt Boden
beide Füße am Boden
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Humanoide Robotik - Statisches Laufen
Roboter befindet sich jederzeit im stabilen Zustand
Schwerpunktsprojektionspunkt liegt innerhalb des Stabilitätsgebiets
Stabilitätsgebiet = konvexe Hülle aller Bodenkontaktpunkte
Nachteil:
Langsam
Kleine Schritte
Geringe Schräge
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
16
Humanoide Robotik - Dynamisches Laufen
Schwerpunkt kann außerhalb der konvexen Hülle der Bodenkontaktpunkte
liegen
Zero Moment Point (ZMP) muss innerhalb dieser Fläche liegen
Vorteil:
Höhere Laufgeschwindigkeiten
Energieeffizienz
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
ASIMO
Advanced Step in Innovative Mobility
entwickelt von Honda Motor
ein 30-köpfiges Team benötigte 12 Jahre Forschungsarbeit
nach sieben Vorläufertypen entstand P1
Modelle P2 und P3 folgten
verschlungenes Budget:
81 Millionen Euro (P2)
Freiheitsgrade: 34
Betriebszeit: 1 Std.
Abb.: Asimo
Größe: 1,20m
Gewicht: 43kg
Abb.: Asimo an der Ladestation
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
17
Asimo
Abb.: Entwicklung der Gehmaschine für den Humanoiden Asimo
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
ASIMO
P1 (1993)
Größe:
Gewicht:
1,90 m
175 kg
P2 (1996)
Größe:
Gewicht:
1,90 m
175 kg
P3 (1997)
Größe:
Gewicht:
1,60 m
130 kg
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
18
Asimo
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Harmonic Drive Getriebe
spielfreies, torsionssteifes Kompaktgetriebe mit
hoher Übersetzung ins Langsame
geringes Volumen, sehr geringes Gewicht und
guter Wirkungsgrad
Nachteil: teuer
Der elliptische Wave Generator
verformt über das Kugellager den
Flex Spline (Außenverzahnt), der
sich dadurch in Eingriff mit dem
Circular Spline (Innenverzahnt)
befindet. Nach einer ganzen
Umdrehung findet ein RelativBewegung statt.
Abb.: Bestandteile eines Harmonic Drive Getriebes
Abb.: Funktionsweise des Harmonic Drive Getriebes
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
19
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
KHR-3
entwickelt vom Advanced Institute of Science
Größe: 1,25m
Gewicht: 56kg
Geschw.: 1,25km/h
41 Freiheitsgrade
Betriebszeit ca. 90 Minuten
2 unabhängige CCD Kameras
Korea
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
20
HRP-3
Entwickelt: Kawada Industries Tokio
Gewicht 68kg
Größe: 160cm
Geschwindigkeit: 2km/h
42 Freiheitsgrade
Betriebszeit: 1-2 Std.
Forschungsbeginn: 1998
Abb.: HRP- 3
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Qrio
Laufen
Akku: 40 Minuten
Treppen steigen
40 Stück wurden gebaut
Bewegungsprognosensteuerung „iWalk“
Stimmenerkennung
Gesichterkennung
Kommunikation
Asimo (2001)
Größe:
1,20 m
Gewicht: 43 kg
Qrio (2003)
Größe:
60 cm
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
21
Androide – Geminoid HI-1
entwickelt von Hiroshi Ishiguro in Osaka
Druckluft bewegt Silikon und Stahl
46 Freiheitsgrade
50 Motoren im Gesicht
Motion Capture System
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Größenordnung (1)
Mikrochip
Größe 1 – 10 mm
menschliche Haar
Durchmesser ca. 100 µm
Menschliche Zelle
Größe ca. 10 µm
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
22
Größenordnung (2)
Virus
50 - 100 nm
DNA
Breite ca. 2 nm
Atom
10 Wasserstoffatome in Reihe ca. 1 nm
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Videokapsel IVP2
-
Europäisches Verbundprojekt, entwickelt im
Jahre 2001-05
-
schwenkbare Kamera (30°)
-
4 LED‘s für die Beleuchtung
-
Energiebedarf 150 mW
-
induktive Energieversorgung
-
Auflösung von 772 x 498 Pixel bei einer
Bildgröße von 4,6 µm
Bilder: Mikroelektronik Stuttgart, Harendt
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
23
Mikrofabriken (4)
Bestandteile
•
Drehmaschine
•
Fräsmaschine
•
Presse
•
Handhabungssystem
Technische Daten
•
Größe 50x70cm
•
Energieanschluss: 100V AV
•
Masse 34kg
•
3 Mini CCD Kameras
•
2 Joysticks
•
8,5“ LCD Bildschirm
Produktion
Fertigung von Kleinstkugellagern
Bild: MEL
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Mikrofabriken (5)
Drehmaschine
1996 entwickelt
Daten
Größe: 32x25x30mm, Masse: 100g
Genauigkeit: 0,1µm Positioniergenauigkeit
0,5µm Oberflächenrauheit
Vorschub: 400µm/s
Drehzahl: 10.000 U/min
Energieverbrauch: 1,5W für die Hauptspindel
Minimaldurchmesser: 60µm
Bild: MEL
Werkstück
Durchmesser: 100-500µm
Länge: 3mm
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
24
Mikrofabriken (6)
Presse
Daten
Größe: 111x66x170mm
Geschwindigkeit: 60 Hübe pro Minute
Energieverbrauch: 100W
Presskraft: 3kN
Werkstück
Blechdicke: 120µm
Durchmesser: 1mm
Bild: MEL
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
Mikrofabriken (7)
Mikro-Transfer Arm
Höhe: 200mm
3DOF linear, 1DOF rotatorisch
Arbeitsbereich: kreisförmig, Ø200mm
Positioniergenauigkeit: 20µm
Bild: MEL
© Hieger, C., Mechatronik/Robotik, Grundlagen der Mechatronik
25