Grundlagen der Robotik - Cheatsheet

Geschichte und Entwicklung der Robotik

Definition:

Historische Entwicklung und Meilensteine der Robotiktechnologie als Bestandteil der Informatik.

Details:

• Antike: Erste Automatiken (z.B. Herons mechanische Geräte).
• 1950er: Begriff 'Roboter' und erste Industrieroboter (Unimate).
• 1960er-1980er: Erste programmierbare Roboter, Integration in Industrie.
• 1990er: Fortschritte in KI, Sensorik und Robotik (z.B. ASIMO).
• 21. Jahrhundert: Autonome Systeme, humanoide Roboter, Servicerobotik.

Vorwärts- und Rückwärtskinematik

Definition:

Vorwärtskinematik beschreibt, wie man aus Gelenkwinkeln die Position und Orientierung des Endeffektors berechnet; Rückwärtskinematik umgekehrt.

Details:

• Vorwärtskinematik: Gegeben: Gelenkwinkel \( \theta_i \) - Gesucht: Endeffektor-Position \( \boldsymbol{T} = f(\theta_i) \)
• Rückwärtskinematik: Gegeben: Endeffektor-Position \( \boldsymbol{T} \) - Gesucht: Gelenkwinkel \( \theta_i = f^{-1}(\boldsymbol{T}) \)
• Matrizenrechnung erforderlich
• Jacobi-Matrix zur Berechnung von Geschwindigkeiten nutzen
• Iterative Methoden (z.B. Newton-Raphson) oft nötig für Rückwärtskinematik

Denavit-Hartenberg-Parameter

Definition:

Denavit-Hartenberg-Parameter zur Beschreibung kinematischer Ketten in Robotik. Definiert durch vier Parameter pro Gelenk.

Details:

• Jedes Gelenk hat vier Parameter: \( \theta_i \), \( d_i \), \( a_i \), \( \alpha_i \).
• \(\theta_i\): Drehwinkel um die z-Achse (bei Rotationsgelenken variabel).
• \(d_i\): Abstand entlang der z-Achse (bei Prismenverschiebung variabel).
• \(a_i\): Länge des Verbindungsstücks entlang der x-Achse.
• \(\alpha_i\): Winkel zwischen den z-Achsen.
• Hauptanwendung: Erstellung homogener Transformationsmatrizen.

Jacobi-Matrix und Singularitäten

Definition:

Jacobi-Matrix analysiert Verhalten und Singularitäten des Roboters; relevant für Kinematik und Dynamik.

Details:

• Jacobi-Matrix (\boldsymbol{J}) beschreibt die Beziehung zwischen Gelenkgeschwindigkeiten und Endeffektorgeschwindigkeiten.
• Singuläre Konfigurationen: Determinante von \boldsymbol{J} wird null, Verlust von Freiheitsgraden oder Bewegungsunfähigkeit.
• Vorwärtskinematik: \boldsymbol{x} = \boldsymbol{f}(\boldsymbol{q})
• Geschwindigkeit: \boldsymbol{u} = \boldsymbol{J}(\boldsymbol{q})\boldsymbol{\theta}
• Analyse von Singularitäten: \boldsymbol{J} wird nicht-invertierbar, Degenerierung der Bewegungsrichtung passiert.

Sensortypen und ihre Anwendungen

Definition:

Unterscheidung verschiedener Sensorarten und deren spezifische Anwendungen in der Robotik.

Details:

• Ultraschallsensoren: Abstandsmessung, Hinderniserkennung
• Infrarotsensoren: Objekterkennung, Abstandsmessung
• Kameras: Bildverarbeitung, Objekterkennung
• Laserscanner: Präzise Abstandsmessung, Umgebungsmodellierung
• Gyroskope: Lage- und Drehratenerfassung
• Beschleunigungssensoren: Bewegungserkennung, Orientierung
• Kraft-Momenten-Sensoren: Kraftmessung bei Interaktionen

Einführung in ROS (Robot Operating System)

Definition:

ROS ist ein flexibles Framework für die Entwicklung von Robotersoftware. Es bietet Tools und Bibliotheken für Softwareentwicklung und -integration.

Details:

• Modularität: Knoten (Nodes) kommunizieren über Nachrichten (Messages).
• Werkzeuge: ROS bietet zahlreiche Tools zur Simulation, Visualisierung und Diagnose.
• Pakete: Software ist in Paketen organisiert, die gemeinsam verwendet und wiederverwendet werden können.
• Plattformunabhängigkeit: Unterstützt verschiedene Plattformen und Programmiersprachen, vor allem C++ und Python.
• Community: Große, aktive Gemeinschaft und umfangreiche Dokumentation.
• Verteiltes System: Unterstützt parallele und verteilte Systeme.

Simulationsumgebungen für Robotik-Anwendungen

Definition:

Software-Plattformen, die virtuelle Modelle von physikalischen Robotern und deren Umgebungen zum Testen und Entwickeln bieten.

Details:

• Möglichkeit zum Testen von Algorithmen ohne Hardware-Risiken
• Bekannte Tools: Gazebo, Webots, V-REP
• Integration mit ROS (Robot Operating System) möglich
• Nutzen physikalische Engine zur realitätsnahen Simulation
• Unterstützung von 3D-Visualisierungen

Sicherheitsaspekte und Normen

Definition:

Sicherheitsaspekte und Normen in der Robotik behandeln Maßnahmen und Vorschriften zur Gewährleistung der sicheren Interaktion von Robotern mit ihrer Umgebung und den Menschen.

Details:

• DIN EN ISO 10218: Sicherheit von Industrierobotern.
• DIN EN ISO 13849: Sicherheit von Maschinensteuerungen.
• Risikobewertung und Risikoanalyse gemäß ISO 12100.
• Schutzmaßnahmen: trennende Schutzeinrichtungen, Sicherheitssteuerungen.
• Not-Aus-Schalter, Kollisionsvermeidungssysteme.
• Normen für kollaborative Roboter: ISO/TS 15066.