Einführung in die Robotik - Auslegung und Steuerung serieller Roboter

Die Robotertechnik befindet sich seit mehreren Jahrzehnten in einer kontinuierlichen Aufwärtsentwicklung, was sich an den Umsätzen der Roboterhersteller nachvollziehen läßt. Es ist zu erwarten, dass dieser Trend anhält. Ein wichtiger Grund ist die technische Weiterentwicklung und die zunehmende Leistungsfähigkeit von Industrierobotern. Weiterhin werden neuartige Robotersysteme, wie Parallelroboter und autonome Roboter, zunehmend marktfähig. Damit steigt auch das Interesse für die dahinter stehende Technik.

Die vorliegende Arbeit versteht sich als einführendes Lehrbuch. Insbesondere Studenten und interessierten Ingenieuren soll damit eine Unterstützung bei der Einarbeitung in das komplexe Thema der Robotik gegeben werden.

Nach einer Einführung im ersten Kapitel werden im zweiten Kapitel die mathematischen Grundlagen der Robotik vorgestellt. Sie umfassen die Beschreibung von Vektor- und Transformationsbeziehungen, ohne die ein tieferes Verständnis der Robotertechnik nicht möglich ist. Es werden Verfahren vorgestellt, die auf der homogenen Matrixmethode beruhen.

Im dritten Kapitel wird eine Einführung in die Grundlagen der Schraubentheorie gegeben. Diese Methodik erfährt in den letzten Jahren eine zunehmende Verbreitung [Hun78, Mur94]. Sie bietet einerseits Vorteile bei bestimmten Aufgabenstellungen der seriellen Roboteranalyse und -synthese und bildet andererseits für die Entwicklung paralleler Roboter eine wichtige Grundlage [Tsa99]. Die Schraubentheorie gehört damit zu den Grundpfeilern einer kompakten Robotertheorie.

In weiteren Kapiteln werden die Denavit-Hartenberg-Methode, die Vorwärtstransformation sowie die inverse Koordinatentransformation eingeführt. Sie sind notwendig für ein Grundverständnis der Robotik. Ein Schwerpunkt in den nachfolgenden Kapiteln wird auf die Aufstellung und die Anwendung der Jacobi-Matrix gelegt. Sie hat einen besonderen Stellenwert für die statische Roboterberechnung, für die Untersuchung des Arbeitsraums und für die Regelung von Handhabungsgeräten.

Schlußendlich wird im letzten Kapitel eine Einführung in die Dynamik von Robotern gegeben. Der Fokus liegt dabei auf dem Euler-Lagrange-Verfahren, das den Vorteil einer hohen Anschaulichkeit hat.

Erfahrungen zeigen, dass zum Verständnis neben einer anschaulichen Vermittlung theoretischer Grundlagen beispielhafte Rechnungen notwendig sind. Aus dem Grund werden in der vorliegenden Arbeit alle wesentlichen Zusammenhänge der Robotertechnik mit komplett durchgerechneten Beispielaufgaben untermauert. Am Ende der einzelnen Buchkapitel werden weitere Übungsaufgaben präsentiert.

Die vorliegende Arbeit schließt mit einer umfangreichen Übersicht der verfügbaren Grundlagen- und Lehrbücher zum Thema der Robotik. Der/die interessierte Leser/in kann hier Literatur finden, die die in der vorliegende Einführung behandelten Themen weiter vertieft.