Roboterdynamik

Roboterdynamik ist der Teil der Robotik, der sich mit der Bewegungsbeschreibung roboter Systeme unter der Wirkung von Kräften und Momenten befasst. Sie dient dazu, Bewegungen vorherzusagen, zu simulieren, zu kontrollieren und zu optimieren.

Für einen n-achsigen Manipulator lässt sich das dynamische Modell oft mithilfe der Lagrange- oder der Newton-Euler-Formulierungen ableiten. In der Standardform schreibt man zumeist M(q) qddot + C(q, qdot) qdot + g(q) + F(qdot) = τ, wobei q der Vektor der Gelenkwinkel, qdot deren Geschwindigkeiten und qddot deren Beschleunigungen ist. M(q) ist die träge Matrix, C(q,qdot) enthält Coriolis- und Zentrifugalkräfte, g(q) die Gravitationskräfte, F(qdot) Reibung bzw. Dämpfung, und τ die von den Antrieben aufgebrachten Kräfte bzw. Momente.

Aus der Dynamik folgt auch die Zustandraum-Darstellung: x = [q; qdot], xdot = f(x) + G(x) u, wobei u die Eingaben (z. B. Motormomente) sind. Die Gleichung beschreibt, wie Eingaben die Gelenk- und Systemdynamik beeinflussen und welche Zustandsänderungen daraus resultieren.

Parameteridentifikation und Identifizierbarkeit spielen eine zentrale Rolle: Die Modelle hängen von unbekannten Parametern wie Massen, Trägheiten, Abständen der Massenmittelpunkte und Reibung ab. Durch Messdaten von Position, Geschwindigkeit, Kraft oder Moment lassen sich diese Parameter schätzen oder verfeinern.

Anwendungen finden sich vor allem in der modellbasierten Regelung (z. B. berechnete Torque, Gravitationskompensation), in der Trajektorienplanung und in adaptiven oder robuster Regelungskonzepten, die dynamische Beschränkungen berücksichtigen.

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