Prinzipien der Motorsteuerung (Roboter)

Der Einsatz von Robotern verbreitet sich immer weiter und spielt eine wichtige Rolle in der industriellen Produktion und der Effizienzsteigerung. Industrieroboter nutzen hauptsächlich Servomotoren zur Bewegungssteuerung, um Werkzeuge zu bewegen und zu greifen. Dieser Artikel erläutert detailliert die Eigenschaften von Servomotoren und die entsprechenden Steuerungsprinzipien für verschiedene Servomotortypen.

Prinzip der Bewegungssteuerung

Die Bewegungssteuerung ist eng mit der Robotik verbunden. Roboter in industriellen Anwendungen müssen Aktuatoren aus verschiedenen Motoren verwenden, um sich selbstständig zu bewegen, Aufgaben auszuführen oder Werkzeuge mit Roboterarmen zu greifen.

Das Bewegungssteuerungssystem eines Roboters besteht üblicherweise aus einer Motorsteuerung, einem Motortreiber und einem Motorgehäuse (meist Servomotoren). Die Motorsteuerung verfügt über intelligente Rechenfunktionen und kann Anweisungen zum Antrieb des Motors senden. Der Treiber kann den Motor gemäß den Anweisungen der Steuerung mit Boost-Strom antreiben. Der Motor kann den Roboter direkt oder über ein Getriebe oder ein Kettensystem bewegen.

Ausgabetyp

Mobile Roboter werden häufig zur Erkundung großer Gebiete eingesetzt und können sich mithilfe verschiedener Propeller, Roboterfüße, Räder, Ketten oder Roboterarme fortbewegen. Zu den verschiedenen NI-Displayplattformen gehören beispielsweise VINI, VolksBot und Isadora. Diese Roboter nutzen Mecanum-Räder, allgemeine Räder bzw. Roboterarme. Für die Embedded-Steuerung können Echtzeit-Controller und FPGAs über Embedded-Plattformen wie NI CompactRIO integriert werden. CompactRIO verfügt außerdem über ein rekonfigurierbares Chassis, das verschiedene I/O-Konfigurationen, einschließlich Sensoreingang und Motorsteuerung, unterstützt.

VINI ist eine Roboterplattform mit omnidirektionalen Rädern, die sich in mehrere Richtungen bewegen kann. Neben der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung wie bei herkömmlichen Rädern kann das omnidirektionale Rad die Achse auch in die entgegengesetzte Richtung drehen, um sich in jede beliebige Richtung zu bewegen. Dieser Radtyp wird bereits häufig in Anwendungen wie automatischen Gabelstaplern eingesetzt, die sich in engen Räumen bewegen müssen.

VINI ist außerdem ein Kartenzeichnungsroboter, der die Pfadplanung und Datenverarbeitung mithilfe von NI-Industriecontrollern und CompactRIO durchführt. Ein eingebetteter Industriecontroller erstellt die Laserscan-Karte und führt die Bildverarbeitung für CompactRIO durch, um Sensordaten zu empfangen und Servomotoren des Kamerasystems zu steuern.

Die Räder des VolksBot wurden vom Fraunhofer-Institut in Deutschland entwickelt.

Isadora ist ein tanzender humanoider Roboter, der Eingabedaten von Menschen erhält, die eine verkleinerte Version des Roboters steuern. Anschließend begann er, seine Roboterarme und seinen Oberkörper zu bewegen, um die Bewegungen eines Miniaturroboters nachzuahmen. Isadora nutzt zwei CompactRIO-Systeme: eines simuliert die aufgezeichnete Bewegung, das andere reproduziert die Bewegungsbahn des Roboters.

Servomotor-Steuerungsprinzip und seine Typen

Servomotoren sind ein gängiger Motortyp in der Robotertechnik. Das grundlegende Steuerungsprinzip besteht in der Verwendung eines Regelkreises in Kombination mit der notwendigen Motorrückmeldung, um den Motor in den gewünschten Zustand, wie Position und Geschwindigkeit, zu bringen. Da der Servomotor den aktuellen Zustand über den Regelkreis kennen muss, ist seine Stabilität höher als die eines Schrittmotors.

Es gibt verschiedene Arten von Servomotoren – mit und ohne Bürsten. Der Unterschied zwischen Servomotoren mit und ohne Bürsten liegt in ihrem Kommunikationsmechanismus. Servomotoren funktionieren durch Bewegung oder Drehmomentaufbau basierend auf entgegengesetzten magnetischen Kräften. Die einfachsten Beispiele sind stationäre und rotierende Magnetfelder. Durch einfache Änderung der Stromrichtung im Magnetfeld können die Magnetpole gewechselt werden und die Magnetpole (Rotor) beginnen sich zu drehen. Die Änderung der Stromrichtung der Spule wird als „Kommutierung“ bezeichnet.

Bürsten-Servomotor

Das Steuerungsprinzip des Bürstenmotors besteht darin, den Strom in der Motorspule durch die mechanische Bürste zu ändern. Da Bürstenmotoren die Richtung des eingehenden Stroms ändern können, können sie mit Gleichstrom (DC) betrieben werden. Bürstenservomotoren lassen sich in zwei Teilegruppen unterteilen:

Das Motorgehäuse hat einen Feldmagneten (Feldmagnet), also den Stator (Stator)
Der Rotor besteht aus Spulen mit einem Eisenkern in der Mitte und ist mit einem Stromtransformator verbunden

Die Bürsten berühren dann den Stromtransformator und leiten den Strom in die Spule. Nach einer gewissen Nutzungsdauer können die Bürsten verschleißen und Reibung im System verursachen. Bei bürstenlosen Servomotoren ist dies jedoch nicht der Fall.

Bürstenloser Servomotor

Die meisten bürstenlosen Servomotoren werden mit Wechselstrom betrieben. Das Steuerungsprinzip des bürstenlosen Servomotors besteht darin, den Eisenkern außen zu platzieren. Während der Rotor zu einem temporären Magneten wird, wird der Stator zu einer Eisenspule. Der Strom im externen Stromkreis kehrt sich an der jeweiligen Rotorposition um. Daher wird dieser Servomotor mit Wechselstrom betrieben. Natürlich gibt es auch bürstenlose Gleichstrom-Servomotoren. Diese Motoren verfügen typischerweise über eine elektronische Schaltung zur Umwandlung des eingehenden Gleichstroms. Bürstenlose Servomotoren sind teurer, unterliegen aber weniger Verschleiß.

Schrittmotor

In Roboterbewegungsanwendungen sind Schrittmotoren zwar nicht so verbreitet wie Servomotoren, stellen aber dennoch einen wichtigen Motortyp dar und sind einfacher zu bedienen. Im Vergleich zu Servomotoren sind Schrittmotoren langsamer und präziser. Der Schrittmotor verfügt über eine Reihe eingebauter bürstenloser Zähne (Brushless Teeth). Nachdem der Strom durchflossen ist und die elektromagnetische Ladung geändert hat, wird der Rotor vom nächsten Bürstenzahnsatz gezogen, und der vorherige Bürstenzahnsatz schiebt den Rotor an, wodurch der Schrittmotor beschleunigt wird.

Im Vergleich zu Servomotoren können Schrittmotoren präzise über die Anzahl der Bürstenzähne (d. h. entsprechend der zurückgelegten Strecke) gesteuert werden. Daher ist im Allgemeinen keine Rückmeldung erforderlich. Allerdings kann es aufgrund von Hindernissen passieren, dass Zähne nicht geputzt werden. Daher kann ein Encoder als Rückmeldung verwendet werden.

Motion Controller und Softwarearchitektur

Viele Hersteller haben eigene Antriebssysteme zur Steuerung von Robotern entwickelt. Bei der Betrachtung von Bewegungssteuerungssystemen in Roboteranwendungen ist zunächst der grundlegende Vernetzungszyklus zu verstehen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Die übergeordnete Funktion der Robotermissionsplanung besteht darin, die Aktionen des Roboters auf das endgültige Ziel auszurichten. Sie kann mehrere Ziele in einem einzigen Befehl vereinen oder den Roboter zu einem bestimmten Ziel führen. Bei einer ferngesteuerten Roboterarchitektur werden diese Anweisungen meist über einen extern angeschlossenen Computer übermittelt, und die nachfolgenden Aktionen oder Verhaltensweisen des Roboters können dort manuell ausgewählt werden. Bei einem vollautomatischen Roboter kann die Aufgabenplanung je nach Entscheidungsalgorithmus auch direkt auf der Platine erfolgen.

Bei der Planung eines Pfades stellen sich häufig Fragen wie „Wie gelange ich zum Ziel, um diese Aufgabe zu erledigen?“ oder „Wie bewege ich den Roboterarm an diesen Ort?“. Solche Probleme können durch die Bewegungssteuerung des Roboters gelöst werden.

Sobald Ziel und Fahrgeschwindigkeit bekannt sind, sendet der Servomotorregler ein Steuersignal (PWM oder Strom usw.) an den eigentlichen Motorantrieb, damit dieser das Ziel erreichen kann. In der Regel wird die Steuerfunktion mit PID-Technologie aufgebaut. Beachten Sie auch, dass Sicherheitsfunktionen integriert sein sollten. Erkennt beispielsweise ein Roboter bei hoher Geschwindigkeit einen Menschen auf seinem Weg, sollte er ein Notsignal senden, um den Motor sofort zu stoppen oder abzubremsen.