Robotik „Mein Roboter erledigt das für mich“
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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