Kraft/Momentregelung von Industrierobotern

Transkript

1 Kraft/Momentregelung von Industrierobotern Prof. Dr.-Ing. Jozef Suchý Technische Universität Chemnitz Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

2 Grundgedanken zur Kraft/Momentregelung Auf dem Gebiet der Kraft/Momentregelung (KM- Regelung) von stationären Roboter finden seit mehr als 20 Jahren umfangreiche Forschungsaktivitäten internationaler Institute statt. Trotz der hohen Verbreitung von Robotern in der Industrie sind diese in den seltensten Fällen mit Kraft/Momentsensorik ausgerüstet.

3 Grundgedanken zur Kraft/Momentregelung Gründe für den mangelnden Einsatz von KM-Regelungen sind u. A.: Hoher Preis der Sensoren, Oft unzureichende Einbindung des Sensors in die Robotersteuerung, Widerspruch zwischen Forschungsergebnissen und Implementierung (Ebene der Einflussnahme).

4 Ziel dieses Vortrages Aufzeigen der Möglichkeiten von KM-Regelung an 3 unterschiedlichen Robotersystemen. Dazu zählen: Beschreibung des Systemaufbaus, Darstellung der Programmiermöglichkeiten, Implementierung einer Beispielanwendungen, Charakterisierung der Eigenschaften im Vergleich zu anderen Robotersystemen.

5 Robotersystem 1 - Beschreibung Roboter STÄUBLI RX90B mit Steuerung CS7B und 6D-KMS von JR3 (Messbereich 200N/20Nm). Der KMS wird über die dazugehörige VME-Buskarte und das Softwarepaket AdeptForce in die Steuerung integriert.

6 Robotersystem 1 - Programmierung Die Programmierung erfolgt in V+. Der Syntax ist ähnlich zu C oder Pascal mit zusätzlichen Kommandos für: Positionsabfrage, Bewegungsgenerierung und -parametrierung, Koordinatentansformationen. Durch das Softwarepaket AdeptForce stehen zusätzliche Befehle für den KMS zu Verfügung.

7 V+ Beispielbefehle Abfragen der aktuellen Position: here aktuelle_position Auslesen der Messwerte des KMS: force.read (0) f[ ] Starten einer Bewegung: move zielposition MOVE übergibt die Zielposition an den Trajektoriengenerator, der eine ruckfreie Bewegung erzeugt. Er stellt die Sollwinkel für die Achsregler zur Verfügung.

8 Robotersystem 1 - Beispielanwendung Konturenverfolgung (Hybride Kraft/Lageregelung): Auf Federn gelagerte Platte mit unbekannten Profil und im Greifer eingespannten Werkzeug mit kugelgelagerter Rolle. Kraftregelung in z-richtung mit P bzw. PI-Regler, Bewegung entlang der y-achse Anwendungsbeispiele: Schleifen, Entgraten, Polieren,

9 Robotersystem 1 - Beispielanwendung Signalflussbild des Reglers für z-kraft mit Roboter und Umgebung: Regelstrecke F zsoll F z z 0 - z D z D z Regler G Rob (z) K F z - Die Regelstrecke hat I-Verhalten. Bei einer rampenförmigen Störungen folgt mit einem P-Regler eine bleibende Regelabweichung.

10 Film - Konturenverfolgung mit STÄUBLI RX90B

11 Konturenverfolgung mit P-Regler Kraft (N) Weg (mm) Weg (mm) FZ Z Y Zeit (ms) 0

12 Konturenverfolgung mit PI-Regler Kraft (N) Weg (mm) Weg (mm) FZ Z Y Zeit (ms) 0

13 Robotersystem 2 - Beschreibung Roboter KUKA KR6/2 mit Steuerung KRC2 und 6D-KMS von SCHUNK (Messbereich 660N/60Nm). Der KMS wird über die dazugehörige ISA-Buskarte und das Softwarepaket FTCtrl in die PC-basierende Robotersteuerung integriert.

14 Robotersystem 2 - Programmierung Möglichkeit 1: FTCtrl-Technologiefunktionen Programmierung ist zeitsparend, unkompliziert und sicher. Aber es stehen nur eingeschränkte Programmiermöglichkeiten zur Verfügung.

15 Robotersystem 2 - Programmierung Möglichkeit 2: RSI (Robot Sensor Interface) Logische Verknüpfung von Funktionsblöcken für: Eingangssignale (Istposition, Messwerte des KMS, ), Signalverarbeitung (Summation, Multiplikation, ), Ausgangssignale (Sollposition) Die Sollposition wird direkt auf die Achslageregler aufgeschalten.

16 Robotersystem 2 - Beispielanwendung Kraft/Momentgeregeltes Schrauben: Anfädeln der Mutter auf dem Gewindebolzen mit einer in RSI programmierten Funktion, Festschrauben der Mutter mittels Funktionen von FTCtrl.

17 Film: Kraft/Momentgeregeltes Schrauben

18 Robotersystem 3 - Beschreibung Roboter MANUTEC r3 mit WinDDC Mikrocontrollersteuerung und 6D-KMS von SCHUNK (Messbereich 660N/60Nm). Von dem originalem Steuerschrank des Roboters wurden nur die Leitungsbaugruppen beibehalten.

19 Robotersystem 3 - Beschreibung Messwerte der Dehnmessstreifen des KMS Stand Alone Controller für KMS Analoge Signale der Kräfte und Momente WinDDC Steuerung Signale der IGR-Winkelgeber MANUTEC r3 Roboter mit KMS Digitale Signale (Referenzpositionen, ) Leistungsbaugruppen Digitale Signale (Freigabe, ) Sollwerte der Gelenkgeschwindigkeiten für die Achsverstärker (analoge Spannungen) Serielle Verbindung Windows PC für Programmierung, Visualisierung und Steuerung Motorströme

20 Robotersystem 3 - Programmierung Die Programmierung der WinDDC Mikrocontrollersteuerung erfolgt am PC mit der Sprache DDC. Sie besteht aus folgenden Funktionen: Funktionen zur Abfrage und zum Ansteuern der Peripherie (AD, DA), Regelungstechnischen Grundfunktionen (P, I, D, GP, GZ, PSUM, ) Sonstigen Funktionen (BEGR, PVE, ). Das Anwenderprogramm wird zyklisch und in Echtzeit in der Steuerung abgearbeitet. Es kann auch am PC simuliert werden. Visualisierung und Steuerung sind ebenfalls vom PC aus möglich.

21 Robotersystem 3 - Beispielanwendung Kraftgeführte Bewegung: Der Roboter weicht externen Kräften und Momenten aus. Anwendung: Komfortables Anlernen von Positionen und Orientierungen ohne Verwendung des Handbediengerätes, Assistenzaufgaben, z. B. beim Bohren

22 = Z Y X Z Y X T M M M F F F J M M M M M M Robotersystem 3 - Beispielanwendung Neuartiger Ansatz: Kraftgeführte Bewegung im Gelenkraum. Die im kartesischen Raum gemessenen Kräfte und Momente werden mit Hilfe der aktuellen Jakobimatrix in entsprechende Gelenkmomente transformiert.

23 Robotersystem 3 - Beispielanwendung Neuartiger Ansatz: Kraftgeführte Bewegung im Gelenkraum. Vorteile: Das Verhalten des Roboters entspricht mehr unseren natürlichen Erwartungen, Gleichzeitiges Ändern von Position und Orientierung ist mit gleicher Dynamik möglich, Es bestehen keine Arbeitsraumbeschränkungen aufgrund des gerade aktiven Konfigurationsraumes, Singularitäten können ohne Gefahr überfahren werden.

24 Robotersystem 3 - Beispielanwendung Neuartiger Ansatz: Kraftgeführte Bewegung im Gelenkraum. Das gewünschte Verhalten eines jeden Gelenkes wird als Masse-Dämpfer-System berechnet (IT1) und stellt die Sollpositionen und die Sollgeschwindigkeiten für die Achsregler zur Verfügung. M q 1 m & q& D q& q

25 Film: Kraftgeführte Bewegung

26 Vergleich der Robotersysteme Unterschiedliche Eingriffspunkte in die Roboterbewegung:

27 Vergleich der Robotersysteme Dynamische Verhalten am Beispiel von Gelenk 1: 10 Sollwert 20 ms Gelenkwinkel ( ) 0 MANUTEC r3 STÄUBLI RX 90B 0 0,5 1 1, ms 80 ms -10 KUKA KR6/2 Zeit (s)

28 Zusammenfassung Anspruchsvolle Aufgaben der Kraft/Momentregelung sind auch mit Standardindustrierobotern möglich. Je nach verwendeten Steuerungssystem ergeben sich unterschiedliche Beeinflussungsmöglichkeiten der Roboterbewegung Dadurch sind die Roboterdynamiken verschieden. Theoretische Aspekte auf der Basis der Gelenkmomente können bei der Verwendung kommerzieller Roboter zur Kraft/Momentregelung häufig vernachlässigt werden, da auf diese meist keine Möglichkeit der Einflussnahme besteht.

29 Danke für Ihre Aufmerksamkeit.