Universität Bremen

Kognitive Robotik I

Motorik

Thomas Röfer

RobotertypenRoboter mit Rädern

Gelenkt, differentiell, synchron, omnidirektionalLaufmaschinen

Statisch und dynamisch stabilEin-, zwei-, vier- und sechsbeinig

Kognitive Robotik I – Motorik 2

Universität Bremen

Rückblick „Service-Robotik“Zeitleiste der Robotik

Karel Čapek

1921

Karel Čapek

1921

Prog.Arm

1954

Prog.Arm

1954

Shakey

1968

Shakey

1968

100,000 Roboter

1984

100,000 Roboter

1984

Unimation

1961

Unimation

1961

Service-Roboter

1980

Service-Roboter

1980

Isaac Asimov

1941

Isaac Asimov

1941

Anforderungen

Reha

Unter-wasser

Über-wachung

Reinigung

Tanken

Medizin

Haushalt

500 1000 1500 2000 Stückzahlen

Reha

Unter-wasser

Über-wachung

Reinigung

Tanken

Medizin

Haushalt

500 1000 1500 2000

Reha

Unter-wasser

Über-wachung

Reinigung

Tanken

Medizin

Haushalt

Reha

Unter-wasser

Über-wachung

Reinigung

Tanken

Medizin

Haushalt

500 1000 1500 2000 Stückzahlen

50+30050+300

200+200200+200

400+200400+200

300+500300+500

50+80050+800

800+7000800+70002000+125002000+12500

Roboterbestand 1998Roboterbestand 1998

Prognose für 1999-2002Prognose für 1999-2002

Wirtschaftliche Bedeutung

Service-Roboter

Service-Roboter

Autonomes Ausführenherkömmlicher Aufgaben

Autonomes Ausführenherkömmlicher Aufgaben

ReinigungReinigung

TankenTankenAutonomes Ausführen

herkömmlicher Aufgaben

Autonomes Ausführenherkömmlicher Aufgaben

ReinigungReinigung

TankenTanken

Autonomes Ausführen neuartiger Aufgaben

Autonomes Ausführen neuartiger Aufgaben

InspektionInspektion

EntertainmentEntertainmentAutonomes Ausführen neuartiger Aufgaben

Autonomes Ausführen neuartiger Aufgaben

InspektionInspektion

EntertainmentEntertainment

Unterstützung bei neuartigen Aufgaben

Unterstützung bei neuartigen Aufgaben

RehabilitationRehabilitation

BetreuungBetreuungUnterstützung bei

neuartigen Aufgaben

Unterstützung bei neuartigen Aufgaben

RehabilitationRehabilitation

BetreuungBetreuung

Unterstützung bei herkömmlichen Aufgaben

Unterstützung bei herkömmlichen Aufgaben

MedizinMedizin

BüroBüroUnterstützung bei

herkömmlichen Aufgaben

Unterstützung bei herkömmlichen Aufgaben

MedizinMedizin

BüroBüro

Klassifikation Beispiele Zukunft

Kognitive Robotik I – Motorik 3

Universität Bremen

Robotertypen

Kognitive RoboterKognitive Roboter

MobilMobil StationärStationär

2-D2-D 3-D3-D

FahrenFahren LaufenLaufen

Kognitive Robotik I – Motorik 4

Universität Bremen

Roboter mit Rädern

� Vorteile� Antriebsart ist auch sonst weit verbreitet

� Schnell� Schwere Lasten können transportiert werden

� Steuerung relativ einfach

� Nachteile� Infrastruktur (Wege, Straßen) erforderlich� Starke Veränderung der Umwelt

� In unwegsamen Gegenden nicht einsetzbar

� Unnatürlich� Es gibt kein Lebewesen mit Rädern!

Kognitive Robotik I – Motorik 5

Universität Bremen

Antriebs- plus Lenkachse – Dreirad

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

Kognitive Robotik I – Motorik 6

Universität Bremen

Richtig

Antriebs- plus Lenkachse – Vierrad

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

� Vierrad (Ackermann-Lenkung)

Ungenau

Kognitive Robotik I – Motorik 7

Universität Bremen

Antriebs- plus Lenkachse – Modell

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

� Vierrad (Ackermann-Lenkung)

� Modell und Differentialgetriebe

α

α

r

s

αtan

sr =

Kognitive Robotik I – Motorik 8

Universität Bremen

Stützräder

Differenzieller Antrieb

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

� Vierrad (Ackermann-Lenkung)

� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb

Kognitive Robotik I – Motorik 9

Universität Bremen

Differenzieller Antrieb – Modell

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

� Vierrad (Ackermann-Lenkung)

� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell

r

22d

r

v

dr

v rightleft

+=

−

d

leftright

leftright

vv

vvdr

−+

=2

Kognitive Robotik I – Motorik 10

Universität Bremen

Differenzieller Antrieb – Kettenantrieb

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

� Vierrad (Ackermann-Lenkung)

� Modell und Different.

� Differenzieller Antrieb� Modell

� Kettenantrieb

Kognitive Robotik I – Motorik 11

Universität Bremen

Synchron-Antrieb

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

� Vierrad (Ackermann-Lenkung)

� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell

� Kettenantrieb

� Synchron-Antrieb

Kognitive Robotik I – Motorik 12

Universität Bremen

Synchron-Antrieb – Technik

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

� Vierrad (Ackermann-Lenkung)

� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell

� Kettenantrieb

� Synchron-Antrieb� Technik

Lenkmotor

Achse fürAufbau

Antriebsmotor

Kognitive Robotik I – Motorik 13

Universität Bremen

Omnidirektional – Killough-Antrieb

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

� Vierrad (Ackermann-Lenkung)

� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell

� Kettenantrieb

� Synchron-Antrieb� Technik

� Omnidirektionaler Antrieb� Killough

Kognitive Robotik I – Motorik 14

Universität Bremen

Omnidirektional – Killough

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

� Vierrad (Ackermann-Lenkung)

� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell

� Kettenantrieb

� Synchron-Antrieb� Technik

� Omnidirektionaler Antrieb� Killough

� Modell

� Richtungsvektoren� F0 = [-1, 0]

� F1 = [1,-√3] / 2� F2 = [1,√3] / 2

� Konstanten� Radius der Räder: r� Abstand der Räder vom Zentrum: b

� Gewünschte Bewegung� v = [x,y], w

� Formel� ω0 = (v F0 + b w) / r� ω1 = (v F1 + b w) / r� ω2 = (v F2 + b w) / r

Kognitive Robotik I – Motorik 15

Universität Bremen

Omnidirektional – Spezielle Räder

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

� Vierrad (Ackermann-Lenkung)

� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell

� Kettenantrieb

� Synchron-Antrieb� Technik

� Omnidirektionaler Antrieb� Killough

� Modell

� Spezielle Räder

Kognitive Robotik I – Motorik 16

Universität Bremen

Omnidirektional – Meccanum-Räder

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad

� Vierrad (Ackermann-Lenkung)

� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell

� Kettenantrieb

� Synchron Antrieb� Technik

� Omnidirektionaler Antrieb� Killough

� Modell

� Spezielle Räder

� Mecanum-Räder

Kognitive Robotik I – Motorik 17

Universität Bremen

Omnidirektional – Meccanum-Räder

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad� Vierrad (Ackermann-Lenkung)� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell� Kettenantrieb

� Synchron Antrieb� Technik

� Omnidirektionaler Antrieb� Killough

� Modell

� Spezielle Räder � Mecanum Räder

� Demonstration

Kognitive Robotik I – Motorik 18

Universität Bremen

Omnidirektional – Meccanum-Räder

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad� Vierrad (Ackermann-Lenkung)� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell� Kettenantrieb

� Synchron Antrieb� Technik

� Omnidirektionaler Antrieb� Killough

� Modell

� Spezielle Räder� Mecanum Räder

� Demonstration, Beispiele

Kognitive Robotik I – Motorik 19

Universität Bremen

Omnidirektional – Meccanum-Räder

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad� Vierrad (Ackermann-Lenkung)� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell� Kettenantrieb

� Synchron Antrieb� Technik

� Omnidirektionaler Antrieb� Killough

� Modell

� Spezielle Räder (Acroname Inc.)� Mecanum Räder

� Demonstration, Beispiele, Modell

−=

−+

+−

w

y

x

v

v

v

l

l

l

R2

312

312

312

31

3

2

1 111

ωωω

Kognitive Robotik I – Motorik 20

Universität Bremen

Omnidirektional – Meccanum-Räder

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad� Vierrad (Ackermann-Lenkung)� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell� Kettenantrieb

� Synchron-Antrieb� Technik

� Omnidirektionaler Antrieb� Killough

� Modell

� Spezielle Räder (Acroname Inc.)� Mecanum Räder

� Demonstration, Beispiele, Modell, Anwendung

Kognitive Robotik I – Motorik 21

Universität Bremen

Redundanter Antrieb

� Antriebs- plus Lenkachse� Dreirad� Vierrad (Ackermann-Lenkung)� Modell und Differentialgetriebe

� Differenzieller Antrieb� Modell� Kettenantrieb

� Synchron Antrieb� Technik

� Omnidirektionaler Antrieb� Killough

� Modell

� Spezielle Räder (Acroname Inc.)� Mecanum Räder

� Demonstration, Beispiele, Modell, Anwendung

� Redundanter Antrieb

Kognitive Robotik I – Motorik 22

Universität Bremen

Laufmaschinen

� Vorteile� Können sich in unwegsamen Gelände bewegen� Gehen, laufen, hüpfen, klettern...

� Keine Veränderung der Umwelt notwendig

� Biologisch plausibel

� Nachteile� Kompliziert zu bauen� 6-beinige Maschinen haben 18 Gelenke

� Energieversorgung schwierig� Kompliziert zu steuern� Für sinnvollen Gang muss die Umgebung genau analysiert werden

� Für den Transport schwerer Lasten eher ungeeignet

Kognitive Robotik I – Motorik 23

Universität Bremen

Statisch stabiler Gang - 6-beinig

� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner

Kognitive Robotik I – Motorik 24

Universität Bremen

Statisch stabiler Gang - 6-beinig

� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner

Kognitive Robotik I – Motorik 25

Universität Bremen

Statisch stabiler Gang - 4-beinig

� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner

� VierLING

Kognitive Robotik I – Motorik 26

Universität Bremen

Dynamisch stabiler Gang - 1-beinig

� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner

� VierLING

� Dynamisch stabiler Gang� Einbeinige Hüpfmaschine

Kognitive Robotik I – Motorik 27

Universität Bremen

Dynamisch stabiler Gang - 2-beinig

� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner

� VierLING

� Dynamisch stabiler Gang� Einbeinige Hüpfmaschine

� Zweibeinige Laufmaschine

Kognitive Robotik I – Motorik 28

Universität Bremen

Dynamisch stabiler Gang - 4-beinig

� Statisch stabiler Gang� Sechsbeiner

� VierLING

� Dynamisch stabiler Gang� Einbeinige Hüpfmaschine

� Zweibeinige Laufmaschine

� Vierbeinige Laufmaschine