Bewegingscontrole:waar wiskunde en natuurkunde botsingen voorkomen

Door gebruik te maken van elektrische en mechanische engineering, software- en hardware-ontwerp, en voortbouwend op inzichten die zijn verkregen uit uiteenlopende vakgebieden als biologie, ethiek en psychologie, is robotica een echt multidisciplinair domein.

Wiskunde en natuurkunde staan ​​centraal en zijn natuurlijk met elkaar verweven. En beide worden gebruikt om automatisering te produceren die geen botsingen veroorzaakt.

In dit bericht gaan we dieper in op de basisprincipes van bewegingsbesturing, kinematica en kinetiek. Overal delen we links naar nuttige bronnen voor meer informatie over motion control en gerelateerde concepten, uit de A3-archieven en daarbuiten.

Wat is motion control?

Zoals de naam al aangeeft, verwijst 'motion control' naar het subveld van automatisering dat zich bezighoudt met het bereiken van gecontroleerde beweging van alle afzonderlijke onderdelen van een geautomatiseerd systeem. Om de beweging van interne motoren, grijperuiteinden, portalen en alle andere componenten van de complexe automatisering van tegenwoordig te beheersen, is inzicht nodig in de belangrijkste natuurkundige concepten zoals kracht, beweging en koppel en het vermogen om complexe besturingsalgoritmen toe te passen op echte hardware.

Met succes geïmplementeerd, zorgt motion control ervoor dat elk onderdeel van het systeem op elk moment is waar het hoort, wat de algehele betrouwbaarheid en herhaalbaarheid garandeert.

'Bewegingscontrole' wordt soms gebruikt in de strikte zin van het besturen van de beweging van motoren alleen, maar in de ruimste zin omvat de term alle onderdelen van een geautomatiseerd systeem, zoals grijpers en portalen. In deze bredere zin omvat motion control padplanning, kinetiek en kinematica.

Een typisch motion control-systeem bestaat uit drie componenten:een motion controller, een versterker en een of meer motoren.

Bewegingscontrollers zijn het brein van de operatie en zorgen ervoor dat de motor presteert volgens de eisen van de eindgebruiker, inclusief het motortraject. Bewegingscontrollers zijn de afgelopen jaren kleiner geworden - en slimmer geworden -, waardoor fabrikanten op innovatieve en steeds bruikbare manieren motion control-intelligentie in hun ontwerpen kunnen opnemen.

Yaskawa America's e-Learning-serie op YouTube bevat dit handige overzicht van de basisprincipes van bewegingsbesturing:

https://www.youtube.com/watch?v=-ZWUSbMKAfg

Kinematica

In de natuurkunde is kinematica een subveld dat de beweging van punten, lichamen en systemen van lichamen ten opzichte van elkaar beschrijft door middel van geometrie.

Binnen robotica verwijst kinematica naar de geometrie van de beweging van een robot en bevat kinematische vergelijkingen waarmee de positie van verschillende punten binnen een automatiseringssysteem kan worden berekend. Cruciaal is dat kinematica geen rekening houdt met de krachten die beweging veroorzaken, maar alleen of de beweging mogelijk is.

Voorwaartse kinematica omvat het berekenen van de positie van een eindeffector uit de gespecificeerde waarden voor de gewrichtsparameters. Inverse kinematica berekent de bijbehorende gewrichtshoeken op basis van de locatie van de eindeffector.

De videoserie 'Introduction to Robotics' van Stanford University bevat deze nuttige lezing over kinematicaconcepten:

https://www.youtube.com/watch?v=QKyDrUonp98

Kinetica

In de natuurkunde verwijst kinetiek naar de studie van de krachten die inwerken op lichamen of deeltjes die verantwoordelijk zijn voor het veroorzaken van hun beweging. In robotica omvat dit het berekenen en evalueren van de koppels en krachten, inclusief elektrische stroom, die in het systeem aanwezig zijn. Newton-Euler- en Lagrange-vergelijkingen worden hier gebruikt om een ​​dynamisch model van een automatiseringssysteem te bieden of om de krachten en momenten te bepalen die op de starre verbindingen van een robotmanipulator werken.

Verder lezen uit het A3-archief:

Wat is bewegingsbesturing?

Gesloten-lusfunctionaliteit naar stappenmotoren brengen

En verder:

Het Center for Robotics and Biosystems van de Northwestern University in de VS heeft een reeks video's geproduceerd als aanvulling op "Modern Robotics:Mechanics, Planning, and Control" (Lynch en Park, Cambridge University Press, 2017), die allemaal beschikbaar zijn op YouTube, waaronder:

https://www.youtube.com/watch?v=QFCbTVJqm8I

Queensland University Professor Michael Milford's gids voor voorwaartse en inverse kinematica:

https://www.youtube.com/watch?v=VjsuBT4Npvk

Kinematica en kinetiek van robots – een korte enquête, ScienceDirect