Universität Bielefeld - Technische Fakultät - Neuroinformatik



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Die Robotik-Hardware

 

In Abb. 5.1 ist eine Skizze der Robotik-Hardware im Labor der AG Neuroinformatik zu sehen. Ein vollständiges Blockdiagramm liefert [Wal96c].

  
Figure 5.1: Hardware-Architektur im Robotik-Labor: Von links nach rechts sind die beiden Aktoren (PUMA-Arm und TUM-Hand) und die Sensoren (FTS und taktiles Sensorsystem aus dieser Arbeit) dargestellt. Das Rückgrat der Architektur ist ein VME-Bus. Die Gelenke des Roboterarms werden von sechs Microcontrollern gesteuert, die vom Trajektoriengenerator auf Druide mit Fixpunkten im Gelenkwinkelraum versorgt werden. Der Trajektoriengenerator für die TUM-Hand läuft ebenso wie die Motorregler auf der CPU40-Karte. Die Bewegung der Finger wird von Druide aus über Datenpakete gesteuert, die an die CPU40-Karte gesendet werden. Eine Leistungselektronik erzeugt die Motorströme für die Ölkolben und verstärkt die Sensorsignale von der Basis-Station. Die Finger selbst werden nur über Ölschläuche gesteuert. Der FTS besitzt einen eigenen Controller, der ein Feldbus-Interface realisiert. Dieser Controller ist zur Kostenersparnis als M-Modul gebaut, das im M-Modul-Träger steckt. Diese Trägerkarte kann vier Module aufnehmen. In einem der freien Steckplätze findet das Puffermodul BRAD Platz, das Teil des in dieser Arbeit beschriebenen Sensorsystems ist.

Die Steuerung der Hardware-Komponenten übernehmen zwei Workstations, die Busmaster jeweils eines VME-Busses sind. Die von der Workstation Druide kontrollierte Robotik-Hardware besteht aus den folgenden Komponenten:

 

Die TUM-Hand verdient wegen der besonderen Antriebstechnik noch eine eingehendere Betrachtung. Die Abb. 5.2 legt die Vermutung nahe, daß bei bekanntem Motorkolbenstand auf der Basis-Station auch der Kolbenstand am Finger bekannt ist. Das ist aus mehreren Gründen nicht der Fall:

  1. Hysterese-Effekte: Wegen der Reibung des Stempels im Fingerkolben kann die Rückholfeder den Druckausgleich nicht hysteresefrei herstellen. Das bedeutet, daß die Fingerkolbenposition von der Vorgeschichte der Bewegung abhängt.
  2. Elastizität des Ölsystems: Die Ölschläuche sind in ihrem Querschnitt etwas dehnbar und das Öl selbst je nach Luftgehalt etwas kompressibel. Bei festgehaltener Motorkolbenposition ist die Fingerkolbenstellung also von der äußeren Krafteinwirkung abhängig.
  3. Tiefpaßwirkung des Ölsystems: Die letzten beiden Punkte treffen für beliebig langsame Bewegungen der Finger zu. Bei schnellen Bewegungen kommt noch das Problem der Trägheit des Gesamtsystems hinzu, das stark mit dem der Elastizität verwandt ist. Die Trägheit bewirkt, daß sinusförmig oszillierende Bewegungen des Motorkolbens mit konstanter Amplitude nur bei sehr niedrigen Frequenzen den vollen Fingerkolbenhub erzeugen. Bei höheren Frequenzen sinkt die Amplitude der Bewegung am Fingerkolben. Die Grenzfrequenz beträgt dabei etwa 3Hzgif.

Ein Drucksensor im Ölsystem liefert Information, die zur Korrektur der so entstehenden Fehler herangezogen werden kann. Dieser Sensor befindet sich am Motorkolben auf der Basis-Station und mißt den Ölrückstaudruck vom Fingerkolben über den Schlauch. Wenn der Hysterese-Effekt vernachlässigbar ist, kann aus der Motorkolbenposition, dem Rückstaudruck, der Kompressibilität des Systems und der Federkonstante der Rückholfeder die Information über die Fingerkolbenposition und die äußere Krafteinwirkung auf den Fingerkolben bestimmt werden.

Eine solche Extraktion der Kraftinformation ist in der Handsteuerungs-Software implementiert, um Gelenksteifigkeiten einzustellen. Leider ist der Hysterese-Effekt so stark, daß die Steifigkeitsregelung nur leidlich funktioniert; beispielsweise werden Änderungen des Vorzeichens der Kraft auf einen Kolben erst nach Überwinden der Hysterese erkanntgif.

Insgesamt stellt sich das Bild der bisher vorhandenen Hardware wie folgt dar:

Randbedingungen durch die beiden Aktoren:
Der Roboterarm und die Hand können, gemessen an den Trajektoriengeneratoren, mit etwa 50 bis 70Hz auf Sensoreingaben reagieren. Für Regelungsaufgaben ist außerdem die Frequenz des Motorreglers der Hand interessant, die 200Hz beträgt. Die Erneuerungsrate der Sensorwerte des taktilen Sensorsystems sollte für Regelungsaufgaben also deutlich über diesem Wert liegen. Bei Verwendung von vier Fingerkuppen, wie sie in Kapitel 1 beschrieben werden, liegt die erreichte Erneuerungsrate der Sensordaten bei über 500Hz.

Randbedingungen durch die Auslastung von Druide :
Einige Konzepte der Datenübertragung kommen wegen der hohen Auslastung von Druide nicht in Frage; dazu zählt etwa die Verwendung der RS232-Schnittstelle von Druide zur Datenaufnahme. Polling-Verfahren, bei denen Druide die Daten einzeln anfordern muß, überlasten nicht nur die Workstation, sie liefern auch je nach Übertragungsprotokoll zu alte Daten.

Das hier vorgestellte Sensorsystem realisiert ein "`shared-memory"'-Konzept, bei dem ein Zweitorspeicher von einem Partner mit Daten beschrieben wird und vom anderen gelesen werden kann. Der A/D-(Analog-Digital-)Wandler an den Sensoren kann also laufend Daten liefern, ohne Druide zu belasten. Druide kann jederzeit mit einem einzigen Lesezugriff auf den VME-Bus die aktuellen Sensordaten auslesen. Diese Daten sind nie älter als die reziproke Erneuerungsrate, weil die Daten unmittelbar nach der Digitalisierung in den Pufferspeicher geschrieben werden.



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Markus Jankowski Jan Jockusch Lars Jansen Michael Jandrey Marjan Tomas , 1996-Dec-06