ROBCAD Tutorial 1

ROBCAD Version 3.8.1

Tutorial

Andreas Rose

berarbeitet von Ingo Maciuszek

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1 Einleitung Dieses ROBCAD-Tutorial soll einen leichten Einstieg in den Umgang mit dem Robotersimulationssystem ROBCAD ermglichen. Dabei wird beispielhaft ein Objekt modelliert, und eine kinematische Kette fr einen abstrakten Beispielroboter aufgezeigt.

1.1 Vorbereitende Ttigkeiten

Bevor wir mit den ersten Schritten der Modellierung beginnen, stellen wir uns unsere Arbeitsumgebung richtig ein. Die Ebene, die im Fenster zu sehen ist, ist fr unsere Zwecke zu gro. Dies ndern wir, indem wir im Robcad-Kontext den Menpunkt Setup whlen und dort den Punkt . Durch Anwhlen des Untermenpunktes Floor Size erhalten wir folgendes Fenster:

Fr die Ausdehnung des Bodens whlen wir das Ma 100x100

Fr die Gre des Rasters whlen wir das Ma 10x10

Im Graphikfenster knnen wir die Vernderung direkt sehen: Der Fuboden nimmt nur noch einen kleinen Teil des Bildschirms ein. Dies ndern wir gleich wieder, und zoomen den Boden wieder heran, bis er den gesamten Sichtbereich ausfllt. Dazu bewegen wir den Mauszeiger auf das Graphikfenster, halten die mittlere Maustaste gedrckt und bewegen die Maus von links nach rechts. Diesen Startzustand wollen wir abspeichern. Die entsprechende Funktion ist im Men Setup zu finden. Nmlich der Punkt , hier whlen wir den Unterpunkt Store->User im Men Configuration. Die fr uns wichtigen Voreinstellungen sind damit erledigt und wir knnen mit der Modellierung beginnen. Weitere Einstellung der Arbeitsumgebung knnen im Men Setup durchgefhrt werden, die Vorgaben sollen uns aber reichen.

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2 Einfhrung in das Modellieren Damit ein Roboter entsteht, sind viele Schritte notwendig, einige davon wollen wir in diesem Kapitel gemeinsam durchfhren, um ein Gefhl fr die Funktionen und Strukturen des Programms zu bekommen. Hier hat die Theorie ein Ende, und man bekommt ein Werkzeug in die Hand, mit dem man komplexe Arbeitszellen simulieren kann und mit Strukturen spielerisch umgegangen werden kann. Schlielich kann ja nichts Kaputt gehen. Ziel dieser bung ist es einen Krper zu modellieren, der aus drei Grundkrpern oder Standardprimitives zusammengesetzt ist. Die Form des Krpers mag irritieren, fhrt aber zum Verstndnis der CSG-Modellierung, und bietet einen Lsungsansatz fr den Praktikumsversuch.

Um mit der Modellierung zu beginnen mssen wir in das Menu Modelling wechseln, dazu muss nur der entsprechende Menupunkt ausgewhlt werden.

Nun knnen wir mit dem Erstellen eines Roboters beginnen.

Zunchst whlen wir in der Menuleiste den Menupunkt Files. Rechts sollte nun die Detailmaske Files zu sehen sein.

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Um nun auch gleich etwas auf dem Bildschirm zu sehen zu bekommen, whlen wir hier den Punkt Open aus und erhalten folgende Maske.

Jetzt ffnen wir eine Komponente. ffnen (Open) heit in diesem Zusammenhang soviel wie erffnen, es soll keine vorhandene Komponente geffnet werden, sondern eine neue erstellt werden. Als Namen whlen wir versuchsobjekt. Die anderen Einstellungsmglichkeiten interessieren uns im Moment nicht, und wir erstellen mit

die von uns benannte Komponente. Die Bezeichnung der Komponente darf keine Grobuchstaben enthalten.

Trotzdem ist im Graphikfenster nichts zu sehen, bis auf das Basiskoordinatensystem und den Rasterboden natrlich. Das knnte daran liegen, dass wir in der Sicht zu weit vom Geschehen entfernt sind, deshalb ZOOMEN wir mal das Zentrum etwas nher heran. Wir bewegen den Mauszeiger in das Arbeitsfenster, halten die mittlere Maustaste gedrckt und bewegen die Maus von links nach rechts. Wie zu sehen ist, wird das Grundmuster grer aber, es ist noch kein Objekt zu sehen, denn bis jetzt haben wir nur die Komponente definiert, und eine Modellingsession fr diese Komponente initiiert.

Um ein Objekt zu erstellen mssen in der Toolbox

den Schalter whlen und erhalten die Detailmaske Modeler mit Standardobjekten (Standardprimitives).

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In der oberen Hlfte sind die Standardobjekte wie Wrfel, Kugel oder Kegel zu sehen. Unter Boolean sind Verknpfungsmglichkeiten, nmlich: Vereinigung, Subtraktion und Schnittmenge, zu sehen. ber den Schalter Solid creation erreichen wir diese Teilmaske:

Hier wird eingestellt, wie viele Kanten ein Polygonzug haben soll. Im Praktikumversuch soll z.B. eine Mutter erzeugt werden (mit 6 Seiten). Der Wert Polyhedral msste also auf 6 gendert werden. Wir fhren dies gleich einmal durch und besttigen mit Accept.

Wenn wir jetzt einen Zylinder erstellen wollen, mssen wir den Schalter bettigen, erscheint die Detailmaske fr die Zylinderparameter.

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Fr unseren Krper whlen wir folgende Parameter: Hhe = 16, Durchmesser = 21. Auch wenn das Namensfeld grau unterlegt ist, kann hier etwas eingegeben werden. Name = Zylinder1. Wir besttigen mit und nun sollte im Graphikfenster unser Zylinder erscheinen. Um eine andere Sicht auf unseren Krper zu erlangen, knnen wir die Sicht im Graphikfenster (Viewport) manipulieren. Dies kann durch folgende Aktionen geschehen:

Mittlere Mausetaste (MMB) gedrckt halten und Maus bewegen (Zoom In und Zoom Out)

Rechte Maustaste (RMB) gedrckt halten und bewegen. (verschieben der Sicht) Rechte und mittlere Maustaste (RMB+MMB) gedrckt halten und bewegen. (drehen

der Sicht) Home-Taste => azimuth = 270 & Hhe = 0

Cursor Up-Taste => Hhe + 30

Cursor Down-Taste => Hhe - 30

Cursor Left-Taste => azimuth + 30

Cursor Right-Taste => azimuth - 30

Probieren Sie aus, wie sich die Sicht verhlt. Alle diese Manipulationen haben aber keinen Einfluss auf unseren Krper.

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Um diesen in seiner Lage zu manipulieren, mssen wir das Tool zu Platzierung

(Placement Editor) aktivieren: . Jetzt erscheint die Detailmaske.

Wir bettigen den Schalter Objects und erhalten das folgende Eingabefenster:

Der Eingabedialog Objects gibt uns die Mglichkeit einzelne Elemente anzugeben. Dabei ist das Eingabeformat wie folgt: [Komponente].[Objektname]. In unserem Fall also versuchsobjekt.Zylinder1. Man kann aber auch den oder auch die Krper whlen, indem man im Graphikfenster einen Rahmen um die Objekte zieht, die man auszuwhlen wnscht oder diese der Reihe nach durch linksclicken auf die einzelnen Objekte anwhlt. Ist dies geschehen, erscheint in der linken Teilmaske unsere Auswahl. Spter knnen dort auch mehrere Krper oder Komponenten aufgefhrt sein.

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Durch einen Click im Eingabefenster Object Names wird die Auswahl bernommen. Nach Besttigung der Auswahl steht neben dem Schalter Objects in der Maske Placement Editor unser gewhltes Objekt, oder die gewhlten Objekte:

Whlen wir nun den Schalter und klicken auf oder , so sehen wir, wie sich unser Krper entlang der X-Achse bewegt, und zwar mit der voreingestellten Schrittweite von 2 mm. Soll der Krper entlang einer anderen Achse bewegt werden, muss nur die andere Achse gewhlt werden. Analog zur translatorischen Bewegung funktioniert auch die rotatorische. Whlt man und bettigt die Pfeilschalter wird um die X-Achse rotiert. Die Schrittweite ist dabei 2. Die Schrittweiten knnen einfach durch Auswahl von Step size gendert werden. Die Maeinheiten werden im Setup-Men festgelegt. So kann z.B. in Abhngigkeit vom Projekt das Schrittma von Millimeter auf Meter gendert werden.

Als nchstes wollen wir einen weiteren Krper erstellen und mit dem vorhandenen Zylinder1 kombinieren. Der zweite Krper soll eine Kugel sein, also whlen wir mit der

Kombination und dann die Kugel aus. Wir haben vorher die Eckenanzahl auf 6 beschrnkt, um unseren Zylinder1 zu erzeugen. Diese Einstellung macht bei einer Kugel nur wenig Sinn, der Krper htte nur entfernte hnlichkeit mit einer Kugel. Darum ndern wir vorher den Wert Solid creation auf 24. Nach Eingabe der Parameter der Kugel

und Besttigung mit haben wir unser zweites Objekt erstellt. Im Graphikfenster ist allerdings keine Vernderung festzustellen, die Kugel wir vom Zylinder1 komplett verdeckt. Da wir die beiden Krper: Zylinder1 und Kugel1 kombinieren wollen, mssen wir sie bewegen, was wir wie oben beschrieben machen wollen. Zuerst drehen wir die Ansicht derart, dass wir von unten auf die beiden Krper blicken, dann whlen wir den Zylinder1 aus und verschieben ihn entlang der Z-Achse, bis in etwa die folgende Konstellation entstanden ist.

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Die Kugel ist von Unten in den Zylinder eingetaucht. Die Objekte sollen dabei so zueinander liegen, dass die Kugel gerade zur Hlfte von unten in den Zylinder eintaucht. War dies bereits vor dem Verschieben der Fall, schieben wir die Kugel in diese Lage zurck. Aus diesen beiden Objekten wollen wir ein Neues erstellen, und zwar indem wir die Kugel vom Zylinder subtrahieren.

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Die Kugel soll im Zylinder eine Einbuchtung hinterlassen. Dies erreichen wir, indem wir den Modeler ffnen

und dort die boolsche Operation Subtraktion whlen. Daraufhin erscheint das Objektauswahlfenster und das Subtraktionsfenster. Zuerst selektieren wir die Kugel, wechseln dann in das Feld From solid und selektieren den Zylinder. Als neuen Namen tragen wir bo1 ein.

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Wir besttigen mit und knnen das Ergebnis im Graphikfenster betrachten, wenn wir die Ansicht so drehen, dass wir von Unten auf die Szene blicken.

Zur besseren bersicht im Projekt, gibt es verschiedene Einstellungsmglichkeiten. Eine der wichtigsten ist die Farbe, die einem Objekt zur visuellen Unterscheidung gegeben werden kann. Nutzen Sie diese Mglichkeit, wo es nur geht.

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Um die Farbe zu verndern, whlen wir das Men Display

Nach Auswahl des Punktes wird wieder die Mglichkeit gegeben, das oder die Objekte auszuwhlen, die eine bestimmte Farbe bekommen sollen. Dem neu kreierten Objekt bo1 weisen wir die Farbe grn zu. Hierbei mssen wir zuerst die entsprechende Farbe anclicken und dann das einzufhrbende Objekt auswhlen.

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Eine weitere Mglichkeit, die bersichtlichkeit in der Arbeitszelle zu gewhrleisten, ist die unterschiedliche Darstellungsform von Objekten. Die Standarddarstellungsform ist shaded oder auch die Schattierte Darstellung. Die Flchen sind farblich gefllt und es werden die Licht und Schatteneffekte berechnet. Um zum Beispiel einen Einblick in unser Objekt zu erhalten, wechseln wir die Darstellungsform im Display-Men auf wire, die Drahtgitter Darstellung.

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Nach Festlegung des Objektes

,ndert sich die Darstellung im Graphikfenster.

Die Halbkugel, die als Ausbuchtung in unserem Zylinder briggeblieben ist, ist hier gut zu erkennen. Probieren Sie verschiedene Picklevel und Darstellungsmethoden aus, um ein Gefhl fr ihre Strken und Schwchen zu bekommen.

Einen Krper zu verschieben und mit einem anderen zu Kombinieren wird in den meisten Fllen nicht ausreichen. Speziell die Vorgabe von maen macht das modellieren schwierig. Da die Kugel exakt zu 50 % im Zylinder verschwunden ist, liegt einmal an den Maen der Krper, der Darstellungsgenauigkeit und der Bewegungsschrittweite. Wenn einer dieser Parameter gendert wird, und zwar insbesondere die Darstellungsqualitt, kann man aus der Ansicht heraus nicht mehr auf die Positionierung schlieen. Fr die Exakte Positionierung bietet ROBCAD ein Bemaungstool. Es knnen unterschiedlichste Messungen durchgefhrt werden, wir wollen uns hier einmal auf eine Distanzmessung beschrnken.

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Whlen wir also das Bemaungstool aus. Das erscheinende Fenster

enthlt unterschiedlichste Abfragemglichkeiten, aus denen wir uns whlen, also die Distanz zwischen zwei Punkten. Wir wollen

wissen, ob die Kugel zu 50 % in den Zylinder eingetaucht ist. Ist dies der Fall, so hat die Ausbuchtung an der Oberflche den Durchmesser der Kugel (10 cm). Zuerst whlen wir zwei Punkte der Oberflche, die sich direkt gegenber liegen

Im Bild sind die beiden gewhlten Punkte als weie Sternchen zu erkennen.

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Die gewhlten Punkte sollten dann im Objektfenster erscheinen:

Haben wir die richtigen Punkte gewhlt und besttigen die Auswahl, wird die Entfernung berechnet und im Statusfenster angezeigt (evtl. mu ein berlappendes Fenster minimiert werden um den Blick auf das Fenster freizugeben):

Wie zu sehen haben wir alles richtig gemacht, die Entfernung der beiden Punkte betrgt 10 mm. Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass einer der hufigsten Fehler des Modelling seinen Ursprung in falschen Maen hat. Denken Sie daran, dass die Graphische Darstellung nur eine Hilfestellung sein kann, es handelt sich nicht um ein exaktes Abbild der Realitt. berprfen Sie deshalb mit den vorhandenen Tool die Positionen ihrer Objekte.

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Zur Demonstration der Zweideutigkeit der CSG-Modellierung werden wir den Krper bo1 erweitern. Erzeugen Sie einen weiteren Zylinder mit den Parametern.

Bewegen sie den Krper bo1, oben beschrieben, entlang der Z-Achse, bis nur noch ein Bruchteil im neuerstellten Zylinder2 verschwindet.

Ziehen Sie nun den Krper bo1, mit der Booleschen Operation Subtraktion vom Zylinder2 ab. Sie erhalten als Ergebnis einen Zylinder mit einer Ausbuchtung, die wiederum in der Mitte einen Kugelfrmige Erhebung hat.

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Einen Punkt der CSG-Modellierung sollte man nie auer Acht lassen, und zwar die Zweideutigkeit. Wie in der Einfhrung gezeigt, ist ein solches Objekt in einer Baumstruktur hinterlegt. Erinnern wir uns, wie wir vorgegangen sind: Wir haben einen Zylinder erzeugt und ihn nach oben verschoben. Dann fgten wir eine Kugel hinzu und zogen sie von dem Zylinder ab. Das resultierende Gebilde bewegten wir weiter nach oben und subtrahierten es von einem weiteren Zylinder, wodurch wir schlielich den obigen Krper erzeugten.

Es htte aber auch ein anderer Weg zum selben Ergebnis gefhrt, und zwar folgender: Zuerst erzeugt man den Zylinder2 dann den Zylinder1. Nach Verschieben von Zylinder1 entlang der Z-Achse subtrahiert man diesen vom zylinder2. Als Ergebnis htten wir den obigen Krper erhalten, nur die Kugel fehlte dann noch. Nach Einfgen und Bewegen der Kugel, an die Position, die oben zu sehen ist und vereinigen mit dem 2. Objekt, wren wir zum gleichen Ergebnis gekommen. Zwei unterschiedliche Wege fhren also zum selben Ergebnis. Ein CSG-Modell ist nicht eindeutig!

Im obigen Kapitel haben wir also gelernt, wie man mit Standardobjekten neue Formen kreiert und diese manipuliert. Was wir hier erzeugt haben ist ein Objekt, das nun als Komponente gespeichert werden kann.

Komponenten, die gespeichert wurden, knnen zu spteren Zeitpunkten wieder in die Arbeitszelle geladen werden, Dabei wird jeweils eine Instanz der Komponente erzeugt, d.h. dieselbe Komponente kann mehrmals in der Arbeitszelle auftauchen. Vernderungen an einer Komponente, die dann auch gespeichert werden, haben also Auswirkungen auf alle Projekte und Arbeitszellen, in denen eine Instanz der Komponente verwendet wird. Vorteile und Probleme dieser Objektorientierten Modellierung sind bekannt, und sollten beachtet werden.

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3 Modellierung eines Roboters Aus den Vorlesungen wissen Sie, wie ein Roboter mathematisch beschrieben wird. Wir wollen nun sehen, wie einfach es ist, mit den richtigen Hilfsmitteln einen Roboter zu modellieren. Das Modell, was hier gewhlt wurde setzt, auf Abstraktion. Es wird darauf verzichtet, komplizierte Formen als Teil des Roboters zu whlen, da fr das Modell die Form irrelevant ist. Fr unsere Modelle ist die Form des Unterarms eines Roboters egal. In der Realitt haben Formen, in Bezug auf Gewicht, Steifigkeit, oder Belastung ihren Sinn. Mit diesen Problemen beschftigen sich aber andere Fakultten, so dass wir uns auf die Modellierung und Simulation konzentrieren knnen.

Der Roboter, den wir konstruieren wollen, besteht aus nur Drei Zylindern. Wir erzeugen zuerst drei Zylinder und benennen sie mit Zyl1, Zyl2 und Zyl3. Zyl2 wird um seine Lnge entlang der Z-Achse und um seinen Durchmesser entlang der X-Achse verschoben.

Zyl3 wird um seine Doppelte Lnge entlang der Z-Achse verschoben. Zur besseren Unterscheidung, geben wir den Zylindern unterschiedliche Farbe. Im Graphikfenster ist nun folgendes zu sehen.

Was dem Roboter noch fehlt, ist die Definition seines Bewegungsspielraums, also die Achsen, um die er sich drehen kann, und die Verbindungsstellen der einzelnen Segmente. Als erstes definieren wir die Segmente die zusammengehren sollen. Der Roboter soll wie ein aufrecht stehender Arm funktionieren, allerdings ohne die Mglichkeit einer Drehung im

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die Hochachse. Die weitere Definition des Roboters geschieht dabei im Kinematics-Menu des Modellingkontexts.

Zuerst erzeugen wir die Einzelsegmente des Roboters. Zyl1, Zyl2, und Zyl3, sollen diese Einzelsegmente des Roboters sein. Diese Segmente oder Verbindungen (Links), werden mit der Funktion Create Link erzeugt. Nach Auswahl von erhalten wir im Entityfenster die Mglichkeit einzelne Elemente unser Arbeitszelle einem Link zuzuordnen. In unserem Fall whlen wir zuerst den Zyl1 und geben dem Link den Namen linkzyl1. Mit den Zylindern zwei und drei verfahren wir analog, so dass wir die Links: linkzyl1, linkzyl2 und linkzyl3 erhalten. Jetzt ist dem Programm bekannt, welche Elemente zusammengehren und gemeinsam manipuliert werden. Das ist deswegen ntig, weil ROBCAD intern mit den einzelnen Polyedern der Objekte rechnet.

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Im nchsten Schritt definieren wir die Achsen um die, die Links rotiert werden. Dazu whlen wir im Untermen Gelenke Joint den Punkt . Eine Achse wird durch zwei Punkte definiert, die man entweder direkt als Koordinaten eingeben kann, oder die man im Graphikfenster mit der Maus auswhlt. Wir nehmen die zweite Variante und whlen fr unsere erste Achse als Startpunkt und Endpunkt, zwei Punkte, die sich auf der Oberseite von Zylinder1 gegenberliegen. Einer der Punkte ist der Berhrungspunkt des Zylinder1 mit dem Zylinder2. Als Namen der Achse geben wir ax1 ein:

Die Zweite Achse legen wir analog dazu auf den Zylinder2 und nennen sie ax2.

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Zu diesem Zeitpunkt haben wir schon eine Vorstellung davon, was der Roboter leisten soll. Zylinder2 wird sich um die Achse ax1, Zylinder 3 um die Achse ax2 und um ax1 drehen. Diese Gelenke definieren wir durch der Unterpunkte Joint. Das erste Gelenk definieren wir im nun erscheinenden Fenster wie folgt.

Der parent link ist der Link roboter1.linkzyl1, child link ist linkzyl2, Drehachse ist ax1 und der Name des ersten Gelenks ist j1. Das Zweite Gelenk erzeugen wir mit linkzyl2, linkzyl3 und der Achse ax2, analog. Wir haben zwei Gelenke erzeugt, die man mit Schulter und Ellenbogen bezeichnen knnte. Im Fall des Gelenks j1 bedeutet dies folgendes: Bewegt man den parent link, bewegt sich auch der child link, der child link selber kann aber nur um die Verbindungsachse bewegt, also gedreht werden. So wie der Roboter im Graphikfenster zu sehen ist, befindet er sich in seiner Ausgangsposition, das heit alle Gelenke haben den Stellwinkel Null. Zur berprfung unserer Konstruktion verndern wir die Winkel in den Gelenken und beobachten das Ergebnis.

Zunchst mssen wir allerdings ROBCAD sagen, dass es sich bei unserem Konstrukt um einen Roboter handelt. Dies passiert mit dem Menpunkt Define im Kineamtics-Men.

Jetzt whlen wir im Untermen Joint, whlen das Gelenk j2 und geben als Wert hinter Drive value 30 ein. Der Stellwinkel des Gelenkes ndert sich auf +30. Wenn sich Ihr Ergebnis von dem gezeigten unterscheidet, kann das nur eine Ursache haben. Als Sie die Achse a2 erzeugten, whlen sie start und Endpunkt in anderer Reihenfolge. Da hier die Rechte-Hand-Regel gilt, bedeutet dies nur, dass das Vorzeichen umgedreht ist. Sollte nach der Eingabe von 30 allerdings immer noch ein anderes Ergebnis zu sehen sein, haben Sie wahrscheinlich die Achse a2 falsch gelegt. berprfen Sie Lage und Richtung der Achse und definieren Sie die Achse gegebenenfalls neu. Dazu muss vorher das Gelenk j2 gelscht werden. Zur berprfung des Zweiten Gelenks j1, geben wir fr dieses auch einen Stellwinkel von 30 an.

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Der Zylinder3 hat sich unter Beibehaltung des Stellwinkels in Gelenk j2 mitbewegt. Das gewnschte Ziel wurde ohne Berechnung der DH-Parameter und einer inversen Kinematik auf rein graphische Art und Weise erreicht.

Fr einen richtigen Roboter fehlen aber noch ein paar Angaben, als da wren: Basiskoordinatensystem, TCPF (Handkoordinatensystem) und controller. Diese Einstellungen, die ntig sind um aus einer Komponente einen richtigen Roboter zu machen, stehen im Untermen Robots des Kinematics-Mens zur Verfgung.

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Zwingend sind nur Toolframe und Baseframe, die wir auch gleich angeben. Das Weltkoordinatensystem unter dem Zylinder1 machen wir zum Baseframe und hngen es auch an den Zylinder1.

Das Toolframe liegt auf der Endflche des Zylinder3, also am Ende des Arms.

Haben wir beides erzeugt, machen wir unsere Komponente durch zu einem Roboter wenn dies nicht bereits passiert ist, bzw. berschreiben die alte Definition, wobei erst mit diesem Schritt vom System eine inverse Kinematik erzeugt wird.

Jetzt knnen wir unser kleines Konstrukt wie jeden anderen Roboter behandeln und mit ihm arbeiten. Den von uns in krzester Zeit erzeugte Roboter soll nur einen Einblick in das Modelling mit ROBCAD bieten. Von komplizierteren Mechanismen sollte man sich jedoch nicht verschrecken lassen, da sie genau wie unser Beispiel aufzubauen sind. Andere Roboter haben nur andere Formen, mehr Gelenke und bestehen aus mehr Einzelteilen.

Mit den hier vorgestellten Mitteln sollte es nun ein leichtes sein den Praktikumversuch 1 durchzufhren.