Die Forschung auf dem Gebiet der Robotik macht seit Jahren kontinuierlich Fortschritte und Roboter sind bei unserem heutigen Lebens- und Industriestandard nicht mehr wegzudenken. Die Industrieroboter sind momentan die meist verwendeten Roboterformen. Ziel und Bestrebungen der Forschung sind die Integration von autonomen Robotersystemen in das menschliche Umfeld, überall dort, wo der Mensch ersetzt werden sollte. Typische Beispiele für Serviceanwendungen wären beispielsweise Krankenhäuser oder die Logistik.
Im Gegensatz zu Industrierobotern mit einem definierten örtlichen Arbeitsraum müssen autonome Robotersysteme sich in ständig ändernden Umgebungsbedingungen zurechtfinden. Diese Anpassung und das Agieren in ständig wechselnden Umgebungen stellen an eine Steuerung und Regelung sowie deren Sensoren hohe Anforderungen.
Diese Arbeit befasst sich beispielhaft mit einem sechsbeinigen Laufroboter und betrachtet die Regelung eines Beingelenkes. Zu Beginn erhält der Leser eine kurze Einführung in die Regelungstechnik. Da Industrieroboter äquivalent aus Gelenken bestehen, existiert eine Parallelität zwischen der reinen Gelenkregelung eines Industrieroboters und der eines Beines eines Laufroboters. Hierfür benötigen Grundlagen werden in dieser Arbeit ausführlich erläutert. Die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, in welchem sich ein solches Bein eines Laufroboters zurechtfinden können muss, erfordern eine entsprechend dynamische und variable Regelung. Deshalb werden dazu unterschiedlichste Regelungskonzepte vorgestellt und beispielhaft in Simulink modelliert, simuliert und die Ergebnisse exemplarisch erläutert.
Als Regelungskonzepte wird zum einen als Standardregelung die Kaskadenregelung und zum anderen als robuste Regelung der ReDus-Regler erklärt. Adaptive Regelungen bilden ein ausgewähltes Beispiel für intelligente Regelungen. Diese Regelungsart
zeichnet sich hauptsächliche durch die selbständige Adaption der Reglerparameter an sich ändernde Streckenverhalten aus. Als Beispiel wird die adaptive Regelung MRAC nach der MIT-Rule und nach Lyapunov modelliert und die Ergebnisse werden im
Anschluss analysiert.
Um autonome Systeme erfolgreich in einem menschlichen Umfeld einsetzen zu können, bedarf es einer Lernfähigkeit von Systemen. Diese Lernfähigkeit wird zurzeit hauptsächlich in Japan erforscht.
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
1.1 DAS THEMENUMFELD
1.2 ERGEBNISSE AUS DER DIPLOMARBEIT VON DIPL. ING. (FH) R. TROILO
1.3 GLIEDERUNG
2 DIE GRUNDLAGEN
2.1 EINFÜHRUNG IN DIE GRUNDLAGEN DER REGELUNGS-TECHNIK
2.1.1 Der Regelkreis nach DIN 19226
2.1.2 Grundsätzliche Anforderungen an eine Regelung
2.1.3 Die wichtigsten Übertragungsglieder
2.1.4 Der offene Regelkreis
2.1.5 Der geschlossene Regelkreis
2.1.6 Die Standard-Regler
2.1.6.1 Der P-Regler
2.1.6.2 Der PI-Regler
2.1.6.3 Der PID-Regler
2.2 EINFÜHRUNG IN DAS THEMA BEINREGELUNG
2.3 DIE BESCHREIBUNG EINES INDUSTRIEROBOTERS
2.4 DIE GEOMETRISCHE BESCHREIBUNG VON ROBOTERLAGE
2.4.1 Homogene Koordinaten
2.4.2 Der Übergang zwischen Koordinatensystemen
2.4.3 Mathematische Beschreibung von Rotationen
2.4.4 Die Kinematische Beschreibung nach Denavit – Hartenberg
2.4.5 Die Vorwärtstransformation
2.4.5.1 Die Roll-, Nick-, Gear – Winkeldefinition (Roll, Pitch, Yaw)
2.4.5.2 Alternative: Die EulerWinkel
2.4.6 Die Rückwärtstransformation
2.4.6.1 Die Analytische Lösung
2.4.6.2 Die Differentielle Lösung
2.5 DAS INVERSE MODELL UND BEWEGUNGSGLEICHUNGEN
2.6 DAS NEWTON-EULER-VERFAHREN
2.6.1 Die Beschreibung des Antriebsstrangs eines Roboters
2.6.2 Das Modell der Antriebsmotoren und zugehörende Elektronik
2.6.3 Die Bestimmung des Modells [4]
3 DIE REGELUNG
3.1 DIE DEZENTRALE GELENKREGELUNG IN KASKADEN-STRUKTUR [4]
3.2 DER GESCHWINDIGKEITSREGELKREIS
3.2.1 Die Geschwindigkeitsregelung mit PI-Regler
3.2.2 Der ReDuS – Geschwindigkeitsregler [4][7][8][9]
3.2.3 Berechnungsbeispiel bei Vernachlässigung der Reibung
3.3 DER ENTWURF DER LAGEREGELUNG
4 DIE KASKADENREGELUNG
4.1 DER PRINZIPIELLE AUFBAU EINER KASKADE [10]
4.1.1 Auslegung des Strom- bzw. Momentenreglers [10]
4.1.2 Die Auslegung des Drehzahlregelkreis [10]
4.1.3 Der Lageregelkreis [10]
4.2 DIE KASKADENREGELUNG FÜR DEN LAUFROBOTER LAURON IVB
4.2.1 Der Stromregler
4.2.2 Der Drehzahlregler
4.2.3 Der Lageregler
4.3 DIE SIMULATION DER REGELKONZEPTE
4.3.1 Kaskadenregelung
4.3.1.1 Der Stromregelkreis bzw. Momentenregelkreis
4.3.1.2 Der Geschwindigkeitsregelkreis
4.3.1.3 Der Lageregelkreis
4.3.1.4 Der resultierende Kaskadenregelkreis
4.3.1.5 Zusammenfassung
4.3.2 Der ReDuS – Regler
4.3.3 P-Lageregler und ReDuS – Geschwindigkeitsregler
4.4 ZUSAMMENFASSUNG „REGELKONZEPT KASKADE“
5 ADAPTIVER ANSATZ FÜR EINE GELENKREGELUNG
5.1 EINFÜHRUNG IN DAS THEMENGEBIET DER ADAPTIVEN REGELUNG
5.1.1 Die Adaptive Regelung und ihre Anwendung
5.1.2 Die Gesteuerte Adaption (Gain – Scheduling)
5.1.3 Die geregelte Adaption in MIAS – Struktur
5.1.3.1 Der explizite MIAS – Regelkreis
5.1.3.1.1 Die Identifikation des Prozessverhaltens
5.1.3.2 Der implizite MIAS – Regelkreis
5.1.4 Die geregelte Adaption mit Referenzmodell (MRAC)
5.1.5 Zusammenfassung
5.2 KONZEPTAUSWAHL: DIE GEREGELTE ADAPTION MIT REFERENZMODELL (MODEL REFERENCE ADAPTIVE CONTROLLER /MRAC)
5.3 DAS REGLEREINSTELLVERFAHREN NACH DER MIT – RULE
5.3.1 Das Gradientenabstiegsverfahren
5.3.2 Die MIT – Rule
5.4 DAS EINSTELLVERFAHREN NACH LYAPUNOV
5.4.1 Die Zustandsraumdarstellung (ZRD)
5.4.2 Allgemeine Berechnung nach Lyapunov für Systeme 1. Ordnung
5.4.3 Allgemeine Berechnung nach Lyapunov für Systeme 2. Ordnung
5.5 ADAPTIVE AUSLEGUNG FÜR DIE ZU REGELNDE ROBOTERSTRECKE
5.5.1 Die Strecke der dezentralen Lageregelung
5.5.2 Berechnung nach der MIT – Rule
5.5.2.1 Berechnung nach MIT mit einem PT2 – Referenzmodell
5.5.2.2 Berechnung nach MIT mit einem PT1 – Referenzmodell
5.5.3 Berechnung nach dem Einstellverfahren nach Lyapunov
5.6 DIE SIMULATION DER ADAPTIVEN KONZEPTE
5.6.1 Simulation der adaptiven Positionsregelung nach MIT
5.6.2 Simulation der adaptiven Positionsregelung mit PD-Anteil
5.6.3 Adaptive Regelung der Lage und Geschwindigkeit nach MIT
5.6.4 Adaptive Positionsregelung nach Lyapunov
5.7 ZUSAMMENFASSUNG „ADAPTIVE GELENK-REGELUNG“
6 AUSBLICK
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Analyse verbesserter Regelungskonzepte für ein Beingelenk eines sechsbeinigen Laufroboters, um den Herausforderungen einer sich ständig verändernden Umgebung gerecht zu werden. Die Arbeit untersucht die Analogie zur Gelenkregelung in Industrierobotern und erarbeitet dynamische Reglerlösungen, die über Standardkonzepte hinausgehen.
- Grundlagen der Regelungstechnik und Robotik
- Kaskadenregelung für Antriebsachsen
- Adaptives Regelungsdesign (MRAC nach MIT-Rule und Lyapunov)
- Modellierung und Simulation in MATLAB/Simulink
- Analyse des Störverhaltens und der Systemrobustheit
Auszug aus dem Buch
2.1.2 Grundsätzliche Anforderungen an eine Regelung
Das Verhalten einer Regelung ist am besten aus „Sprungantworten“ zu erkennen. Speziell wird dies auch als „Übergangsfunktion h(t)“ bezeichnet. Diese charakteristischen Funktionen erhält man durch Reaktionen von x auf einen Einheitssprung σ (t) (Sigma) am Eingang.
In einem Regelkreis können sich insgesamt zwei Eingangsgrößen ändern
• Führungsgröße
• Störgröße.
Man unterscheidet deshalb in zwei Arten der Verhaltensweisen einer Regelung:
a) Führungsverhalten:
Das Führungsverhalten beschreibt die Reaktion des Regelkreises auf Änderungen vom Eingang w(t) und wird in der Führungsübergangsfunktion hw(t) graphisch dargestellt. Abbildung 3 stellt das typische Aussehen von hw(t) graphisch dar.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Einführung in das Themenfeld der Robotik und Motivation für die Untersuchung spezifischer Regelungskonzepte an einem Laufroboter.
2 DIE GRUNDLAGEN: Vermittlung der mathematischen und regelungstechnischen Grundlagen, die für die Modellierung von Roboter-Gelenken und Antrieben notwendig sind.
3 DIE REGELUNG: Analyse der dezentralen Kaskadenregelung und Vorstellung des ReDuS-Reglers zur Optimierung der Geschwindigkeitsregelung.
4 DIE KASKADENREGELUNG: Detaillierter theoretischer Entwurf und Simulation der Kaskadenregelung unter Berücksichtigung von Strom-, Drehzahl- und Lageregelkreis.
5 ADAPTIVER ANSATZ FÜR EINE GELENKREGELUNG: Vorstellung adaptiver Regelungsverfahren mittels Referenzmodell, unter Anwendung der MIT-Rule und Lyapunov-Stabilitätstheorie.
6 AUSBLICK: Zusammenfassende Bewertung der vorgestellten Konzepte und Diskussion alternativer Forschungsansätze.
Schlüsselwörter
Laufroboter, Lauron IVb, Regelungstechnik, Kaskadenregelung, Adaptive Regelung, MRAC, MIT-Rule, Lyapunov, Modellierung, Simulation, Simulink, Drehzahlregelung, Lageregelung, Störverhalten, Industrieroboter.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit behandelt die Entwicklung und Optimierung von Regelungskonzepten für die Beinbewegung eines sechsbeinigen Laufroboters.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Schwerpunkte liegen auf klassischen Kaskadenregelungen sowie adaptiven Regelungsansätzen (MRAC) für ein Gelenk-Antriebssystem.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Realisierung eines robusten Regelverhaltens unter variablen Umgebungsbedingungen, um die Trägheit und Störanfälligkeit des Systems zu minimieren.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es werden mathematische Modellierungen der Dynamik durchgeführt und die Konzepte anschließend in MATLAB/Simulink simuliert und ausgewertet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden der theoretische Entwurf von Kaskadenstrukturen und die adaptive Regelung mittels MIT-Rule und Lyapunov-Methodik detailliert mathematisch hergeleitet und modelliert.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Laufroboter, Kaskadenregelung, Adaptive Gelenkregelung, Störverhalten und Modellbasierte Simulation.
Welche Rolle spielt die Lyapunov-Methode in diesem Buch?
Die Lyapunov-Methode wird genutzt, um die Stabilität der adaptiven Regelkreise mathematisch nachzuweisen und die Adaptionsalgorithmen zu entwerfen.
Warum wird der PD-Anteil in den Simulationen verwendet?
Der PD-Anteil dient als Optimierungsmaßnahme, um das Führungsverhalten der adaptiven Regelung zu beschleunigen und Schwingungen effektiver zu dämpfen.
- Quote paper
- Dipl. Ing (FH) Martin Pfrommer (Author), MSc Dipl-Ing(FH) Yordan Todorov (Author), 2008, Regelungskonzepte für die Beinregelung des Laufroboters Lauron IVb, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/118531
