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Roboter-Steuerungsmodus: Position, Geschwindigkeit, Drehmoment und Impedanz

Eine klare Erklärung der Roboterarmsteuerungsmodi <unk> was sie sind, wie sie funktionieren und wann sie für Manipulation und Teleoperation verwendet werden.

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Die Wahl des richtigen Steuerungsmodus ist genauso wichtig wie die Wahl des richtigen Algorithmus.

Warum Kontrollmodi wichtig sind

Ein Roboterarm wird letztendlich durch die Angabe von Strömen oder Spannungen an Motoren gesteuert. Aber man interagiert fast nie auf dieser Ebene. Stattdessen bieten Robotercontroller control modes Abstraktionsschichten, die es Ihnen ermöglichen, den Roboter in sinnvolleren Begriffen zu beherrschen.

Der gewählte Steuerungsmodus bestimmt:

  • Wie der Roboter auf Kontakt reagiert. Ein steifes, positioniert gesteuertes Arm, das einen harten Halt trifft, wird große Kräfte ausüben.
  • Was beherrscht Ihre Politik-Ausgänge. Positionsmodus → gemeinsame Winkelziele.
  • Sicherheitsprofil. Die Positionssteuerung ist in offenem Raum sicher, aber gefährlich in der Nähe des Kontakts.

Positionskontroll

Die Positionskontroll ist der Standardmodus für die meisten Industrie- und Kooperationsarme.

Befehl: Zielgewinkel T0 (oder gleichwertiges kartesinisches Ziel nach IK).

** Steuerung:** Eine PID (Proportional-Integral-Derivative) Schleife berechnet die Motormomente, die erforderlich sind, um die tatsächlichen Gelenkswinkeln in Richtung T1 zu lenken.

Karakteristiken: Sehr steif Der Steuerungsprozess wird große Kräfte ausüben, um die belegte Position zu erreichen. Hohe Wiederholbarkeit (±0,05 mm). Vorhersehbar, schnell.

Beste für: Strukturelle Pick-and-Place-Aufgaben, bei denen es keinen unerwarteten Kontakt gibt; schnelle, sich wiederholende industrielle Bewegungen; erste Datenerhebung.

Warnung: Verwenden Sie keine Positionssteuerung, wenn der Roboter mit einem Objekt oder einer Person kollidieren könnte.

Geschwindigkeitssteuerung

Die Geschwindigkeitssteuerung akzeptiert eine gewünschte gemeinsame (oder kartesische) Geschwindigkeit und treibt den Roboter dazu an, diese Geschwindigkeit zu erhalten.

Befehl: Gelenkgeschwindigkeit T2 oder kartesische Geschwindigkeit T3.

Controller: Integriert Geschwindigkeit mit einem Positionziel mit Geschwindigkeitsbegrenzung; Positionschleife läuft unterhalb.

Beste für: Glatte Teleoperation Joystick- oder Raummaus-Operatoren befehlen die Geschwindigkeit natürlich.

** Vorsicht:** Wenn der Geschwindigkeitsbefehl abgesagt wird (z.B. Netzwerk-Timeout), setzt der Roboter bei der letzten befahlten Geschwindigkeit fort und kann überschreiten.

Drehmoment / Kraftkontrolle

Die Drehmomentsteuerung funktioniert auf der niedrigsten Ebene: Sie beherrschen direkt das gewünschte Drehmoment an jedem Gelenk.

Kommando: Wünschtes Gelenkmoment T4.

** Steuerung:** Der Motorfahrer setzt den befahlten Strom (proportional zum Drehmoment) ein. Der Roboter bewegt sich frei als Reaktion auf äußere Kräfte er widersteht dem Kontakt nicht.

Forderungen: Genaues Dynamikmodell (Inertia-Matrix M, Coriolis/Zentrifugal-Term C, Gravitationsvektor g): T5. Fehler im Dynamikmodell erscheinen direkt als Bewegungsfehler.

Beste für: physische Mensch-Roboter-Interaktion (HRI), bei der Sicherheit von größter Bedeutung ist; Aufgaben, bei denen sehr geringe Kontaktkraft erforderlich ist; Forschung zu konformem Handeln.

Warnung: Drehmomentkontrolle ohne Schwerkraftkompensation führt dazu, dass der Arm unter die Schwerkraft fällt.

Impedantensteuerung

Impedanzgesteuerung ist der praktisch nützlichste Modus für kontaktreiche Manipulation. Es implementiert einen virtuellen Spring-Dämpfer im kartesischen Raum: Der Roboter verhält sich, als wäre er durch eine Steifheitsquelle K und einen Dämpfer des Koeffizienten B mit der beherrschenden Position verbunden.

Kontrolleurecht: T6

Der Roboter übt die Kraft proportional zur Verlagerung von der gewünschten Position aus.

Stiffness-Ausrichtung:

  • Höhere Steifheit (K = 2000 N/m): Der Roboter verhält sich fast wie die Positionssteuerung Widerstand gegen Verschiebung.
  • Niedrige Steifheit (K = 100 N/m): Der Roboter erhält Kontaktkräfte sichere für die Interaktion mit verformbaren Objekten oder Menschen.
  • Anisotropische Steifheit: Setzen Sie eine hohe Steifheit entlang der Aufgabenrichtung und eine niedrige Steifheit perpendikular.

Beste für: Einfügen von Schrauben, Türöffnung, Oberflächenverfolgung, Montagearbeiten, jede Aufgabe mit anhaltendem Kontakt.

Vergleich des Steuerungsmodus

Mode Stiffness Compliant at Contact? Command Type Hardware Support Best Use Case
Position Very high No Joint angles / Cartesian pose Universal Pick-place, fast repetitive tasks
Velocity High No (stops when velocity=0) Joint/Cartesian velocity Most cobots Teleoperation (joystick/servo)
Torque Near zero Yes (fully back-drivable) Joint torques Torque-controlled arms only HRI safety, inner loop for impedance
Impedance Tunable Yes (spring-like) Desired pose + K/B gains Most cobots (Cartesian impedance) Contact-rich assembly, peg insertion

In der Praxis werden die meisten Manipulationsrichtlinien für die Bewegungsphase im freien Raum im Positionssteuerungsmodus ausgeführt und für die Kontaktphase auf Impedanzkontrolle umgestellt.

Um mit Steuerungsmodi auf echter Hardware zu experimentieren, siehe die OpenArm Tutorial-Serie, die praktische Übungen für alle vier Modi enthält.