Getriebemotor und Spindel

vertikale Multiplexer

horizontale Multiplexer takiler Sensor

IOs zur Ansteuerung der Multiplexer

Bild 3.3:Aufbau der Multiplexerschaltung zur Abtastung der Taxelmatrix des taktilen Sensors.

3.3 Getriebemotor und Spindel

Den Kern des Prüfstands bildet eine Kraftmessprüfeinrichtung der Firma Imada Co. ltd., die über eine Kupplung mit dem Antrieb verbunden ist. Um die Linearbewegung der Spindel auszuführen wird ein Gleichstrommotor mit Planetengetriebe und Inkrementalencoder der Firma Maxon Mo-tor AG eingesetzt. Die technischen Daten aller vier Komponenten sind in[48],[46],[47]und[29]

zu finden.

3.4 Kraftmessung

Es ist möglich zwei verschiedene Kraftmessgeräte an der Spindel zu montieren. Tabelle 3.1 zeigt den Messbereich und die Auflösung der beiden am Lehrstuhl verfügbaren Kraftmessgeräte.

Tabelle 3.1:Vergleich Kraftmessgeräte

Eigenschaften Sauter FL 20 Imada DS2-110

Messbereich ±25N ±500N

Auflösung 0.01N 0.1N

Um unterschiedliche Kraftverläufe einstellen zu können, muss sichergestellt werden, dass der Messaufbau nachgiebig genug ist und die antriebsseitige Encoderauflösung ausreicht um den Messbereich des Kraftmessgeräts auszuschöpfen. Deshalb wurden zwischen dem taktilen Sen-sor und dem Untergrund zwei Schichten aus Neopren und Karton aufgeklebt. Diese sollen den verfügbaren Weg bis zum Erreichen der Maximalkraft des Kraftmessgeräts erhöhen.

Zur Abschätzung der Auflösung wird ein Experiment durchgeführt. Der Messkopf des Kraftmess-geräts wird in die Sensorfläche gedrückt bis eine Kraft von 10 N erreicht ist. Zusätzlich wird der spindelseitig, erreichte Winkel gemessen. Dieser Winkel konnte zu etwa 120 deg ermittelt werden. Die maximale Kraftauflösung F_{sp,r es} kann mit der Getriebeübersetzung, der Encoder-auflösung, dem gemessenen Verfahrweg der Spindel und dem verwendeten Prüfkopf berechnet

14 3 Prüfstand zur experimentellen Evaluierung des taktilen Sensors

werden:

F_{sp,r es}= F_{sp,ma x} r_sp

360^◦i_spϕsp

(3.1)

Die Versuchsparameter sind in Tabelle 3.2 zusammengefasst. Die erreichbare Kraftauflösung von 4.28mN ist größer als die Auflösung beider Messgeräte. Der Messaufbau ist daher zur Untersu-chung der Taktilen Haut geeignet.

Tabelle 3.2:Erreichbare Kraftauflösung bei gegebenem mechanischem Weg.

Parameter Wert Einheit

Maximalkraft F_{sp,ma x} 10 N

Prüffläche A_{sp,r e f} 3.14 cm²

Encoderauflösung r_sp 500 −

Getriebeübersetzung i_sp 14 −

Erreichter Winkel ϕsp 120 deg

Kraftauflösung F_{sp,r es} 4.28 mN

3.5 Motorsteuerung

Im Folgenden wird auf das Regelungskonzept eingegangen. Die Positionsregelung des Motors wird von einem Steuergerät des Typs ’Solo Whistle’ der SimpleIQ Reihe der Firma Elmo Motion Control ausgeführt. Zur Kommunikation mit dem Motor verwendet das Steuergerät die RS232 Schnittstelle. Zur Reglerparametrierung und Motorsteuerung werden die von Elmo Motion Con-trol bereitgestellten Softwarepakete Elmo Application Studio II und Elmo Composer eingesetzt.

Die zur Positionsregelung des Motors verwendete Kaskadenregelung zeigt Bild 3.4. Eine detail-liertere Beschreibung der Motorregelstrukturen, die auf der Solo Whistle implementiert werden können, sind in[16]zu finden.

PI-Regler

(Geschwindigkeit)

Stromsensor

-Inkremental

- Geschwindigkeits-beobachter

Ist-Geschwindigkeit

-Ist-Position

Ist-Strom

Encoder P-Regler

(Position) PI-Regler DC Motor

(Strom)

Soll-Position

Bild 3.4:Kaskadenregelung zur Positionsregelung des Getriebemotors.

3.6 Reglerparametrierung 15

Zur Evaluierung des Prototypen der taktilen Haut wird die Spindelposition geregelt. Auf ein auf-wändigeres Kraftregelungskonzept wird verzichtet, da eine Regelung der Kraft keine zusätzliche Funktionalität bringt und die Kraftschleife über das externe Kraftmessgerät geschlossen werden müsste. Die verrauschte Signalqualität beider Kraftmessgeräte sowie die zusätzlich benötigten Kommunikationswege würde sich negativ auf die Stabilität der Motorregelung auswirken. Die Kraft am Prüfkopf wird daher als Resultierende des Positionsverlauf am Prüfkopf erzeugt.

3.6 Reglerparametrierung

Die Parametrierung der P- und I-Anteile wird mithilfe des Elmo Composers von ’innen’ nach ’au-ßen’ und unter realen Betriebsbedingungen durchgeführt durchgeführt. Ein Regler der mithilfe des Autotunings parametriert wurde, zeigte instabiles Verhalten. Eine genauere Betrachtung zeigt, dass der Stromregler mit den Werten des Autotunings bereits zufriedenstellend arbeitet. Die Para-meter von Geschwindigkeit und Positionsschleife werden deshalb experimentell bestimmt, sodass sich schnelles Folgeverhalten einstellt ohne dass die Strombegrenzung des Motors erreicht wird.

Tabelle 3.3 listet die Reglerparameter der Kaskadenregelung auf.

Tabelle 3.3:Reglerparameter der Kaskadenregelung zur Positionsregelung.

Parameter P-Anteil I-Anteil

Stromschleife 0.724 3770

Geschwindigkeitsschleife 50 10

Positionsschleife 20 −

3.7 Trajektorien

Um dynamische Versuche durchführen zu können, müssen definierte Bahnen abgefahren wer-den können. Diese werwer-den dem Steuergerät im "Position-Velocity-Time Mode-(PVT-Mode) [16] übergeben. Im PVT-Mode wird die Trajektorie als eine Liste abzufahrender Positionen, Geschwin-digkeiten sowie Zeitpunkte an denen diese Positionen und GeschwinGeschwin-digkeiten erreicht werden sollen, beschrieben. Zwischen den festgelegten Positionen wird mit einem Polynom dritter Ord-nung interpoliert. Formel 3.2 beschreibt eine Sinushalbwelle und Formel 3.3 ein Dreiecksprofil.

Beide werden über den Zeitpunktˆt, und den Wert ihres Maximumsˆpvollständig definiert.

p_sin(t) =ˆpsin

tπ 2ˆ_t

, 0≤t<2ˆ_{t (3.2)}

p₄(t) =

¨t^ˆp_ˆt , 0≤t<ˆ_t

2ˆp−t^ˆp_ˆt ,ˆ_t≤t<2ˆ_t ^(3.3)

Insgesamt kann das Steuergerät 64 PVT-Kombinationen abspeichern. Der größtmögliche Zeitab-stand zwischen zwei Werten beträgt 255 ms. Die gesamte Trajektorie soll vorab auf das Steuer-gerät gespeichert, werden. Dadurch wird die maximale Versuchszeit auf 0.255 s×64=16.32s begrenzt.

16 3 Prüfstand zur experimentellen Evaluierung des taktilen Sensors

Für die Zeitschrittweitet_d der Trajektoriendiskretisierung muss zusätzlich

t_d≥ 2ˆ_t

64 (3.4)

gelten, da ansonsten der PVT-Speicher im Steuergerät nicht ausreicht. Bild 3.5 zeigt Geschwindigkeits-und Positionsverläufe der beiden implementierten Trajektorienarten.

0 1 2 3 4

Zeit in[s] 0

10 20 30 40

Positionin[103 counts]

0 1 2 3 4

Zeit in[s] -30

-15 0 15 30

Geschw.in[103counts s]

Bild 3.5: Positionsverläufe der sinusförmigen Trajektorie und der dreicksförmige Trajektorie links sowie deren korrespondierende Geschwindigkeitsverläufe rechts mit den Parametern t_d = 0.250 s,ˆt = 2 s und ˆp = 30000counts.

3.8 Validierung

Bild 3.6 zeigt Soll- und Ist-Motorstrom, -geschwindigkeit und -position fürˆp=30×10³ counts undˆ_t=2s. Generell zeigen alle Verläufe sehr gutes Folgeverhalten, geringes Rauschen und hohe Stabilität. In den Positionsverläufen ist ein geringer Zeitverzug zu beobachten. Dieser resultiert aus der sprunghaften Änderung der Soll-Geschwindigkeit, der die Ist-Geschwindigkeit nicht ex-akt folgen kann. Auch der Drehrichtungswechsel beim dreiecksförmigen Positionsverlauf ist etwas ausgerundet, was ebenfalls auf die fehlende Sprungfähigkeit der Motorgeschwindigkeit und die kubische Interpolation der einzelnen PVT-Punkte zurückzuführen ist. Bemerkenswert ist außer-dem, dass der Motorstrom selbst bei Stillstand des Systems nur sehr langsam gegen Null konver-giert. Dieses Verhalten ist auf die hohe Reibung von Motorgetriebe und Spindel zurückzuführen.

Die I-Anteile der Kaskadenregelung erzeugen selbst bei einem Positionsfehler von wenigen Counts einen langsam ansteigenden Motorstrom. Dieser reicht jedoch nicht aus, um die Systemreibung zu überwinden.

3.8 Validierung 17

Bild 3.6: Validierung der Kaskadenregelung mit sinusförmiger Trajektorie links und dreiecksförmiger Trajektorie rechts.

Kapitel 4

Im Dokument Entwicklung einer taktilen Fußsohle für einen humanoiden Roboter  (Seite 25-31)