Während der vierjährigen Lehre als Polymechaniker fertigen die Lehrlinge der Firma Rieter AG einen 5-Achsen-Roboter. Der ASM-Roboter ist ein Knick-Arm-Roboter, der mit DC-Motoren und Schrittmotoren bewegt wird. Im Stadium, wie ihn die Lehrlinge fertigen, kann er nur über zwei Joysticks gesteuert werden. Eine Regelung oder gar ein intelligentes Interface ist nicht vorhanden. In einer Praktikums-Arbeit wurde ein Kontroller entwickelt, der den Roboter über diese eine Schnittstelle regeln kann. Der Kontroller besteht aus einem Mikrokontrollersystem mit einem Infineon 16Bit Mikrokontroller C167. Ziel dieser Diplomarbeit ist, den Kontroller zu bestücken und die einzelnen Funktionsgruppen zu testen. Weiter sollte eine Software entwickelt werden, die das Programmieren des Roboters über eine Host-Software auf dem PC oder auf dem Kontroller selber ermöglicht. Die Eingabe der Positionen sollte über TeachIn möglich sein. Die Software besteht aus dem Real-Time-Multitasking-Betriebssystem RTX166 und einer parallel laufenden Regelung, die daneben unabhängig abläuft. Das RTX166 übernimmt die Menüführungen und die Kommunikation mit der Hostsoftware auf dem PC.

Nötig ist ein Redesign des Hardware-Layouts, das die Fehler bereinigt. In der Software ist die Regelung sowie ein Teil der Menüführung vorhanden. Das Speichern von Skripten, als auch Funktionen zur Behandlung der Positionen im Hinblick auf das Editieren mittels der Menüführung sind implementiert. Weiter ist das Real-Time-System RTX166 vollständig im Zielsystem lauffähig und angepasst. Es ist möglich Positionen vorzugeben, die dann angefahren werden sollen. Arbeiten sind noch im Detail zu leisten und die Menüführung muss noch vollständig implementiert werden.

Die EPF Lausanne entwickelt für die schweizerische Landesausstellung EXPO'02 einen Museumsroboter. Er soll von sich aus Personen ansprechen und sie nach Wunsch durch den Ausstellungsraum führen. Um Gesprächspartner wahrnehmen zu können besitzt der Roboter in einem Auge eine WebCam. Die von der WebCam aufgenommenen Bilder werden auf Gesichter untersucht. Die Grundidee ist, alle hautfarbenen Regionen im Bild als Gesichter einzustufen. Fälschlicherweise werden Holz, Teppiche, Kleidungsstücke usw., welche hautfarbig sein können, auch als Gesichter klassifiziert.

Ziel dieser Diplomarbeit ist eine Software zu entwickeln, welche entscheidet, ob ein hautfarbener Bildausschnitt ein Gesicht enthält oder nicht.

Die Augen und der Mund erzeugen im Schwarzweissbild starke Helligkeitsunterschiede. Diese Helligkeitsunterschiede werden statistisch erfasst und nach den interessantesten Orten ausgewertet. Damit der Hintergrund im Bildausschnitt die Statistik nicht unkontrolliert beeinflusst, wird diese nur im Bereich der nachbearbeiteten Kontur der Hautfarbenmaske angewendet. Die interessantesten Orte werden anschliessend als wahrscheinliche Aufenthaltsorte der Augen, des Mundes oder als mögliche Störungen interpretiert. Ein Bildausschnitt wird als Gesicht detektiert, wenn das Mittel der wahrscheinlichen Aufenthaltsorte des Mundes tiefer liegt als jenes der Augen.

Unter verschiedenen Lichtverhältnissen können Gesichter von anderen hautfarbenen Bildausschnitten unerschieden werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein detektiertes Gesicht tatsächlich ein solches ist, konnte markant von 40% auf 80% erhöht werden. Jedes vierte Gesicht geht dabei verloren.

Wenn man fast nur Gesichter detektieren will, sollte man diesen Algorithmus mit der Information eines anderen Sensors verknüpfen. In diesem Fall ist eine Kombination mit dem bereits im Roboter benutzten Lasersensor, welcher die Umgebung auf Kniehöhe optisch abtastet, möglicherweise das einfachste und das effizie

Im Bereich der Roboter mit Parallelstruktur ist der Deltaroboter eine wichtige Entwicklung. Dieser besteht aus 3 Armen, welche jeweils an einem Ende durch den Endeffektor (TCP) miteinander verbunden sind. Die Motoren können auf der Grundplatte montiert werden. Die bewegte Masse ist demzufolge sehr gering und ermöglicht hohe Beschleunigungen.

In der Diplomarbeit ist für die Vorführung und Demonstration der Grundfunktionen ein fertiges Modell zu entwickeln. Die Mechanik soll gemäss dem Pflichtenheft mit Legokomponenten realisiert werden.

Als erstes Ziel soll der Roboter vorgegebene Positionen anfahren können. Aufbauend auf diesem ist eine Pick and Place Aufgabe zu realisieren.

Die erste Aufgabe wurde mit Hilfe der Theorie der inversen Kinematik gelöst. Diese beschreibt die Berechnung der Gelenkwinkel bei vorgegebenen Positionen des Endeffektors. Für diese Berechnung werden höhere mathematische Funktionen, welche in der verwendeten Programmierumgebung nicht zur Verfügung gestellt werden, benötigt. Um diese zu approximieren wurden Algorithmen implementiert. Danach konnte die Steuersoftware programmiert werden, welche die Berechnung der Gelenkwinkel, die Initialisierung und die Positionsregelung beinhaltet.

Die Realisierung der Pick and Place Aufgabe, musste mit einem zweiten Legocomputer (RCX) gelöst werden, da ein RCX nicht genügend Ausgänge zur Verfügung stellt. Dieser wird für die Ansteuerung eines Greifers benötigt. Damit ein koordinierter Ablauf zwischen dem Anfahren der Positionen und dem Greifer stattfindet, kommunizieren die beiden RCX über die Infrarot-Schnittstelle. Im Gegensatz zum ersten Programm werden nun die Positionen nicht mehr auf dem selben RCX berechnet und angefahren. Neu bestimmt ein Master die Position und sendet diese dem Slave.

Zur Veranschaulichung der Pick and Place Aufgabe, werden zwei Zylinder im Quadrat rotiert.

Die Arbeit konnte erfolgreich abgeschlossen und das gewünschte Produkt den Industriepartnern

Bei einer Vielzahl von medizinischen Anwendungen gewinnt die Bildverarbeitung immer grössere Bedeutung. Nicht zuletzt unter dem Gesichtspunkt der heute in zunehmenden Masse geforderten "just in time"-Betreuung durch das medizinische Fachpersonal, werden die Analysemethoden immer genauer, komplexer und auch kostenintensiver. Um den Ansprüchen der modernen Gesellschaft zu entsprechen, versuchen Ärzte die Untersuchungen vor Ort durchzuführen. Unter diesem Aspekt wurde diese Diplomarbeit durchgeführt, um die Nachfrage nach kostengünstigen Messeinrichtungen zu befriedigen.

In dieser Arbeit wird die Realisierung eines Systems zur Gewinnung von Tiefendaten und dem daraus entstehenden Gittermodell eines Messobjekts beschrieben. Da es sich um eine Triangulationsmethode handelt, kann die Gewinnung der dreidimensionalen Struktur des Messobjektes berührungslos erfolgen. Die Tiefengewinnung mittels des optischen 3D-Messprinzips des Lichtschnittverfahrens benötigt eine aktive Lichtquelle (Linienlaser) zur Erstellung einer scharfen Linie (Lichtschnitt) auf dem Messobjekt.

Mit einem Sensor (Webcam) wird der Lichtschnitt digitialisiert. Von den entstehenden Pixelgrafiken (Bitmap) wird nur der Rotanteil zur Weiterverarbeitung verwendet. Die Laserlinie wird anhand dieser Daten auf mehrere ein Pixel breite Teilfunktionen reduziert. Die Transformation wandelt mit den Angaben der Messanordnung die Kameradaten in die ursprüngliche Szene um. Kurvenverarbeitungs-Algorithmen ermöglichen den glatten Verlauf dreidimensionaler Ebenen und werden zur Unterdrückung von Störungen und Rauschen eingesetzt. Diese werden erstens auf die Teilfunktionen (als Approximation) und zweitens zur Bestimmung der Zwischenwerte zweier benachbarten Lichtschnitte (als Interpolation) angewandt. Dies ermöglicht eine beliebige Auflösung des Gittermodells.

Die Ausgabe erfolgt optional als Datenfile, für die Darstellung und Weiterverarbeitung in Matlab oder als Vektorgrafik.

Im Auftrag des Instituts für Mechatronische Systeme an der ZHW wurde für das Projekt SMARTParking ein CANopen I/0-Kombi-Knoten entwickelt. Gefordert war ein Produkt, mit welchem verschiedene Sensoren und Aktuatoren nach dem CANopen-Standard betrieben werden können. Die Arbeit basierte auf der vorangegangenen Projektarbeit Har01/1 und dem Sourcecode eines CANopen-Stacks.

Die vorhandene Software wurde für zwei unterschiedliche Fujitsu-Mikrokontroller angepasst und erweitert. Dieser neue CANopen-Stack wird bereits in ähnlichen Diplomarbeiten erfolgreich eingesetzt.

Die von der Projektarbeit übernommene Hardware mit den Abmassen 46x70 kann 2 Ultraschallsensoren, 4 Gleichstrom-Kleinservos, 4 Infrarotsensoren, 8 Digitale I/O Ports und 8 LEDs ansteuern. Die dafür benötigten Treiber wurden angepasst und teilweise neu entwickelt, bevor sie erfolgreich in den CANopen-Standard integriert werden konnten. Mit einem Onboard-Menu kann die Servokalibration, die Baudrate, die Node-ID und das Digitale I/O Port eingestellt werden. Die Versorgungsspannung des Knotens darf von 10 bis 48 Volt variieren.

Bei diesem neu entwickelten I/O-Kombi-Knoten können erfolgreich sämtliche geforderten Sensoren und Aktuatoren über CANopen konfiguriert und benutzt werden. Aus zeitlichen Gründen wurde in dieser Diplomarbeit auf einen umfangreichen Test verzichtet. Diese Arbeit gilt es unbedingt nachzuholen, bevor dieses Produkt serienreife erhält.

Das Institut für Mechatronische Systeme benötigt für das Projekt "SmartParking" DC-Servomotoren für die Bremsung und die Lenkung eines Personenwagens. Die Ansteuerung der Motoren erfolgt bis anhin mit einem Universalboard des IMS bzw. mit Fremdprodukten. Diese Aufgabe soll von einem CANopen-Servocontroller-Modul übernommen werden.

Im Rahmen der Diplomarbeit soll ein kompakter CANopen Knoten in Nullseriereife erstellt werden, welcher die folgenden Hardwareeigenschaften hat:

• Grosser Eingangspannungsbereich (10V...60V)
• Externe Spannungsversorgung für Spannungen über 60V
• Anschlussmöglichkeit für Endschalter
• Steuerung über CAN/CANopen
• Ca. 300 CHF im Verkauf

Teilziele der Diplomarbeit sind das Schreiben von Treiber- und Testsoftware für die bereits existierende Hardware und eine anschliessende Inbetriebnahme. Des Weiteren ist das Device Profile für Antriebe gemäss Standard zu implementieren.

Anhand der erstellten Treiber- und Testsoftware wurde die Hardware geprüft. Nach entscheidenden Änderungen der Betriebssoftware ist die Inbetriebnahme erfolgreich abgeschlossen worden. Das Device Profile wurde mit allen obligatorischen Einträgen realisiert und mit dem Communication Profile zu einem CANopen Stack zusammengeführt. Zur Steuerung des Antriebs stehen eine Position- und eine Geschwindigkeits-Regelung zur Verfügung, wobei der Geschwindigkeitsverlauf trapezförmig ist.

Das gesamte System ist auf seine wesentlichen Funktionen getestet worden. Somit ist ein funktionsfähiges Servocontroller-Modul für Antriebe nach CANopen Standard entstanden.

Zusammenfassung

Miniaturisierte, passive magnetostatische Sensoren für drahtlose Datenübertragung sind überall da von grossem Interesse wo ein haushälterischer Umgang mit der vorhandenen Energie wichtig ist. Das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten umfasst Herzschrittmacher, Hörgeräte, Armbanduhren, Natels u.s.w. Das Herzstück dieser Sensoren bildet eine miniaturisierte Reedrelaistruktur. Zur Entwicklung derartiger Strukturen werden numerische Modelle benötigt, da Kraftmessungen an den Relaiskontakten experimentell mit vertretbarem Aufwand nicht möglich sind. Für die Relaisfunktion sind magnetische Kräfte verantwortlich. Stehen die Kontakte unter elektrischer Spannung, dann beeinflussen wegen der kleinen Kontaktabstände, auch elektrostatische Kräfte das Schaltverhalten.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die elektrostatischen Kräfte von MicroReedstrukturen der Firma ASULAB SA, mittels dem Finite Elemente Programm SESES (SEmiconductor SEnsor and actuator Simulation) modelliert.

Verschiedene Modelle mit unterschiedlichem Komplexitätsgrad kommen zur Anwendung. Im einfachsten Fall werden parallel verlaufende Relaiskontakte ohne Streufeld betrachtet. Ein derartiges Modell mit idealisierter Kraftcharakteristik (analytische Lösung des entsprechenden Feldproblems), ist unabdingbar für die Modellvalidierung. Im komplexen Fall werden ASLUAB Strukturen unter Berücksichtigung der Streufelder modelliert. Zentraler Punkt der Arbeit ist die Validierung der elektrostatischen Kräfte.

Die elektostatischen Kräfte werden mit SESES unter Benutzung folgender Methoden ermittelt: (a) Über die Ableitung der im Gesamtmodell gespeicherten elektrostatischen Energie, die für verschiedene Kontaktabstände modelliert wird. (b) Über die Auswertung des Maxwell'schen Spannungstensor bei Elementen die Kontakte nachbilden.

Im Vordergrund stehen Konvergenzuntersuchungen zu Energie und Kraft.