{"id":6670,"date":"2023-09-05T08:20:32","date_gmt":"2023-09-05T08:20:32","guid":{"rendered":"https:\/\/doncenmotor.com\/?p=6670"},"modified":"2023-09-05T08:20:34","modified_gmt":"2023-09-05T08:20:34","slug":"motor-control-principles-robots","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/motor-control-principles-robots\/","title":{"rendered":"Prinzipien der Motorsteuerung (Roboter)"},"content":{"rendered":"

Der Einsatz von Robotern verbreitet sich immer weiter und spielt eine wichtige Rolle in der industriellen Produktion und der Effizienzsteigerung. Industrieroboter nutzen haupts\u00e4chlich Servomotoren zur Bewegungssteuerung, um Werkzeuge zu bewegen und zu greifen. Dieser Artikel erl\u00e4utert detailliert die Eigenschaften von Servomotoren und die entsprechenden Steuerungsprinzipien f\u00fcr verschiedene Servomotortypen.<\/p>\n\n\n\n

Prinzip der Bewegungssteuerung<\/h2>\n\n\n\n

Die Bewegungssteuerung ist eng mit der Robotik verbunden. Roboter in industriellen Anwendungen m\u00fcssen Aktuatoren aus verschiedenen Motoren verwenden, um sich selbstst\u00e4ndig zu bewegen, Aufgaben auszuf\u00fchren oder Werkzeuge mit Roboterarmen zu greifen.<\/p>\n\n\n\n

Das Bewegungssteuerungssystem eines Roboters besteht \u00fcblicherweise aus einer Motorsteuerung, einem Motortreiber und einem Motorgeh\u00e4use (meist Servomotoren). Die Motorsteuerung verf\u00fcgt \u00fcber intelligente Rechenfunktionen und kann Anweisungen zum Antrieb des Motors senden. Der Treiber kann den Motor gem\u00e4\u00df den Anweisungen der Steuerung mit Boost-Strom antreiben. Der Motor kann den Roboter direkt oder \u00fcber ein Getriebe oder ein Kettensystem bewegen.<\/p>\n\n\n\n

Ausgabetyp<\/h2>\n\n\n\n

Mobile Roboter werden h\u00e4ufig zur Erkundung gro\u00dfer Gebiete eingesetzt und k\u00f6nnen sich mithilfe verschiedener Propeller, Roboterf\u00fc\u00dfe, R\u00e4der, Ketten oder Roboterarme fortbewegen. Zu den verschiedenen NI-Displayplattformen geh\u00f6ren beispielsweise VINI, VolksBot und Isadora. Diese Roboter nutzen Mecanum-R\u00e4der, allgemeine R\u00e4der bzw. Roboterarme. F\u00fcr die Embedded-Steuerung k\u00f6nnen Echtzeit-Controller und FPGAs \u00fcber Embedded-Plattformen wie NI CompactRIO integriert werden. CompactRIO verf\u00fcgt au\u00dferdem \u00fcber ein rekonfigurierbares Chassis, das verschiedene I\/O-Konfigurationen, einschlie\u00dflich Sensoreingang und Motorsteuerung, unterst\u00fctzt.<\/p>\n\n\n\n

VINI ist eine Roboterplattform mit omnidirektionalen R\u00e4dern, die sich in mehrere Richtungen bewegen kann. Neben der Vorw\u00e4rts- und R\u00fcckw\u00e4rtsbewegung wie bei herk\u00f6mmlichen R\u00e4dern kann das omnidirektionale Rad die Achse auch in die entgegengesetzte Richtung drehen, um sich in jede beliebige Richtung zu bewegen. Dieser Radtyp wird bereits h\u00e4ufig in Anwendungen wie automatischen Gabelstaplern eingesetzt, die sich in engen R\u00e4umen bewegen m\u00fcssen.<\/p>\n\n\n\n

VINI ist au\u00dferdem ein Kartenzeichnungsroboter, der die Pfadplanung und Datenverarbeitung mithilfe von NI-Industriecontrollern und CompactRIO durchf\u00fchrt. Ein eingebetteter Industriecontroller erstellt die Laserscan-Karte und f\u00fchrt die Bildverarbeitung f\u00fcr CompactRIO durch, um Sensordaten zu empfangen und Servomotoren des Kamerasystems zu steuern.<\/p>\n\n\n

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\"VINI
VINI ROBOT<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Die R\u00e4der des VolksBot wurden vom Fraunhofer-Institut in Deutschland entwickelt.<\/p>\n\n\n

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\"VOLKSBOT\"
RT3 VOLKSBOT<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Isadora ist ein tanzender humanoider Roboter, der Eingabedaten von Menschen erh\u00e4lt, die eine verkleinerte Version des Roboters steuern. Anschlie\u00dfend begann er, seine Roboterarme und seinen Oberk\u00f6rper 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.<\/p>\n\n\n\n

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Servomotor-Steuerungsprinzip und seine Typen<\/h2>\n\n\n\n

Servomotoren sind ein g\u00e4ngiger Motortyp in der Robotertechnik. Das grundlegende Steuerungsprinzip besteht in der Verwendung eines Regelkreises in Kombination mit der notwendigen Motorr\u00fcckmeldung, um den Motor in den gew\u00fcnschten Zustand, wie Position und Geschwindigkeit, zu bringen. Da der Servomotor den aktuellen Zustand \u00fcber den Regelkreis kennen muss, ist seine Stabilit\u00e4t h\u00f6her als die eines Schrittmotors.<\/p>\n\n\n\n

Es gibt verschiedene Arten von Servomotoren \u2013 mit und ohne B\u00fcrsten. Der Unterschied zwischen Servomotoren mit und ohne B\u00fcrsten liegt in ihrem Kommunikationsmechanismus. Servomotoren funktionieren durch Bewegung oder Drehmomentaufbau basierend auf entgegengesetzten magnetischen Kr\u00e4ften. Die einfachsten Beispiele sind station\u00e4re und rotierende Magnetfelder. Durch einfache \u00c4nderung der Stromrichtung im Magnetfeld k\u00f6nnen die Magnetpole gewechselt werden und die Magnetpole (Rotor) beginnen sich zu drehen. Die \u00c4nderung der Stromrichtung der Spule wird als \u201eKommutierung\u201c bezeichnet.<\/p>\n\n\n\n

B\u00fcrsten-Servomotor<\/h3>\n\n\n\n

Das Steuerungsprinzip des B\u00fcrstenmotors besteht darin, den Strom in der Motorspule durch die mechanische B\u00fcrste zu \u00e4ndern. Da B\u00fcrstenmotoren die Richtung des eingehenden Stroms \u00e4ndern k\u00f6nnen, k\u00f6nnen sie mit Gleichstrom (DC) betrieben werden. B\u00fcrstenservomotoren lassen sich in zwei Teilegruppen unterteilen:<\/p>\n\n\n\n

Das Motorgeh\u00e4use 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<\/p>\n\n\n\n

Die B\u00fcrsten ber\u00fchren dann den Stromtransformator und leiten den Strom in die Spule. Nach einer gewissen Nutzungsdauer k\u00f6nnen die B\u00fcrsten verschlei\u00dfen und Reibung im System verursachen. Bei b\u00fcrstenlosen Servomotoren ist dies jedoch nicht der Fall.<\/p>\n\n\n\n

B\u00fcrstenloser Servomotor<\/h3>\n\n\n\n

Die meisten b\u00fcrstenlosen Servomotoren werden mit Wechselstrom betrieben. Das Steuerungsprinzip des b\u00fcrstenlosen Servomotors besteht darin, den Eisenkern au\u00dfen zu platzieren. W\u00e4hrend der Rotor zu einem tempor\u00e4ren 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. Nat\u00fcrlich gibt es auch b\u00fcrstenlose Gleichstrom-Servomotoren. Diese Motoren verf\u00fcgen typischerweise \u00fcber eine elektronische Schaltung zur Umwandlung des eingehenden Gleichstroms. B\u00fcrstenlose Servomotoren sind teurer, unterliegen aber weniger Verschlei\u00df.<\/p>\n\n\n\n

Schrittmotor<\/h3>\n\n\n\n

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 pr\u00e4ziser. Der Schrittmotor verf\u00fcgt \u00fcber eine Reihe eingebauter b\u00fcrstenloser Z\u00e4hne (Brushless Teeth). Nachdem der Strom durchflossen ist und die elektromagnetische Ladung ge\u00e4ndert hat, wird der Rotor vom n\u00e4chsten B\u00fcrstenzahnsatz gezogen, und der vorherige B\u00fcrstenzahnsatz schiebt den Rotor an, wodurch der Schrittmotor beschleunigt wird.<\/p>\n\n\n\n

Im Vergleich zu Servomotoren k\u00f6nnen Schrittmotoren pr\u00e4zise \u00fcber die Anzahl der B\u00fcrstenz\u00e4hne (d. h. entsprechend der zur\u00fcckgelegten Strecke) gesteuert werden. Daher ist im Allgemeinen keine R\u00fcckmeldung erforderlich. Allerdings kann es aufgrund von Hindernissen passieren, dass Z\u00e4hne nicht geputzt werden. Daher kann ein Encoder als R\u00fcckmeldung verwendet werden.<\/p>\n\n\n\n

Motion Controller und Softwarearchitektur<\/h2>\n\n\n\n

Viele Hersteller haben eigene Antriebssysteme zur Steuerung von Robotern entwickelt. Bei der Betrachtung von Bewegungssteuerungssystemen in Roboteranwendungen ist zun\u00e4chst der grundlegende Vernetzungszyklus zu verstehen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.<\/p>\n\n\n\n

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Die \u00fcbergeordnete Funktion der Robotermissionsplanung besteht darin, die Aktionen des Roboters auf das endg\u00fcltige Ziel auszurichten. Sie kann mehrere Ziele in einem einzigen Befehl vereinen oder den Roboter zu einem bestimmten Ziel f\u00fchren. Bei einer ferngesteuerten Roboterarchitektur werden diese Anweisungen meist \u00fcber einen extern angeschlossenen Computer \u00fcbermittelt, und die nachfolgenden Aktionen oder Verhaltensweisen des Roboters k\u00f6nnen dort manuell ausgew\u00e4hlt werden. Bei einem vollautomatischen Roboter kann die Aufgabenplanung je nach Entscheidungsalgorithmus auch direkt auf der Platine erfolgen.<\/p>\n\n\n\n

Bei der Planung eines Pfades stellen sich h\u00e4ufig Fragen wie \u201eWie gelange ich zum Ziel, um diese Aufgabe zu erledigen?\u201c oder \u201eWie bewege ich den Roboterarm an diesen Ort?\u201c. Solche Probleme k\u00f6nnen durch die Bewegungssteuerung des Roboters gel\u00f6st werden.<\/p>\n\n\n\n

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.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Der Einsatz von Robotern verbreitet sich immer weiter und spielt eine wichtige Rolle in der industriellen Produktion und Effizienzsteigerung. Industrieroboter nutzen haupts\u00e4chlich Servomotoren zur Bewegungssteuerung, um Werkzeuge zu bewegen und zu greifen. Dieser Artikel befasst sich ausf\u00fchrlich mit den Eigenschaften von Servomotoren und den entsprechenden Steuerungsprinzipien f\u00fcr verschiedene Typen [\u2026]<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":6510,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_mi_skip_tracking":false,"_monsterinsights_sitenote_active":false,"_monsterinsights_sitenote_note":"","_monsterinsights_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[10],"tags":[],"class_list":["post-6670","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-motion-controller"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/6670","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=6670"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/6670\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":6673,"href":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/6670\/revisions\/6673"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/6510"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=6670"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=6670"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/doncenmotor.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=6670"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}