Elastische Roboter. Dortmunder Regelungstechnische Kolloquien, 28. Januar 2010

Transkript

1 Dortmunder Regelungstechnische Kolloquien, 28. Januar 2010 Elastische Roboter Jörn Malzahn, Rene Franke, Anh Son Phung, Frank Hoffmann, Torsten Bertram Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Torsten Bertram Lehrstuhl für Regelungssystemtechnik

2 Gliederung Wozu eigentlich elastische Roboter? TUDOR Aktive Schwingungsdämpfung Ein Blick in die Zukunft

3 Elastische Roboter in der Raumfahrt Canada Arm Nasa Designaspekte: große Reichweite hohe Nutzlast geringe Eigenmasse Elastische Effekte treten unweigerlich auf European Robotic Arm ESA Endeavour Remote Manipulation NASA

4 Genauigkeit Genauigkeit Leichtbauroboter in der industriellen Fertigung Designaspekte Reduktion des Eigengewichts gegenüber dem Handhabungsgewicht Reduktion des Energie- und Materialbedarfs Inhärente Nachgiebigkeit und Sicherheit Kosten Arbeitsraum

5 Serielle kinematische Strukturen mit elastischen Effekten Gruppe Robotics Gruppe Flexible Reinigungsmaschinen

6 Nutzung von Industrierobotern und Leistungsparameter via smerobot.org Datensatz der Erhebung: teilnehmende Betriebe des deutschen verarbeitenden Gewerbes,[ ] mit etwa 80 % KMU (< 250 Beschäftige) Quelle: Erhebung Modernisierung der Produktion 2006, Fraunhofer ISI

7 Nutzung von Industrierobotern und Leistungsparameter via smerobot.org Datensatz der Erhebung: teilnehmende Betriebe des deutschen verarbeitenden Gewerbes,[ ] mit etwa 80 % KMU (< 250 Beschäftige) Quelle: Erhebung Modernisierung der Produktion 2006, Fraunhofer ISI

8 Maßnahmen zur Erhöhung der Sicherheit Verletzungsgefahr besteht beim Austausch von Impulsen p zwischen dem Roboter und seiner Umwelt p I q p: Impuls I: Trägheitsmatrix. q: generalisierte Geschwindigkeit p Regler Aktuator Arm

9 Maßnahmen zur Erhöhung der Sicherheit Verletzungsgefahr besteht beim Austausch von Impulsen p zwischen dem Roboter und seiner Umwelt p I q p: Impuls I: Trägheitsmatrix. q: generalisierte Geschwindigkeit Maßnahmen: 1. Begrenzung der Reglerdynamik Regler Aktuator Arm

10 Maßnahmen zur Erhöhung der Sicherheit Verletzungsgefahr besteht beim Austausch von Impulsen p zwischen dem Roboter und seiner Umwelt p I q p: Impuls I: Trägheitsmatrix. q: generalisierte Geschwindigkeit Maßnahmen: 1. Begrenzung der Reglerdynamik 2. Elastische Kraft-/Drehmoment- Transmission + Fortgeschrittene Regelung Regler Aktuator Arm

11 Gliederung Wozu eigentlich elastische Roboter? TUDOR Aktive Schwingungsdämpfung Ein Blick in die Zukunft

12 TUDOR Technische Universität Dortmund, omni-elastischer Roboter Designaspekte: Motoren und Getriebe Kamera Modularität Austauschbarkeit der Armkörper und Sensoren Skalierbarkeit Serielle kinematische Strukturen mit elastischen Effekten Dehnungsmessstreifen/ Faser-Bragg-Gitter Inhärente Nachgiebigkeit Aufnahme und Detektion von Kontaktkräften, strukturelle Sicherheit

13 Modellüberblick Ganzheitliche Modellierung: Armkörper Aktuatoren Sensorik

14 Intensität Intensität Schematischer Aufbau Faser-Bragg-Gitter (FBG) Intensität Eingangsspektrum λ Fasermantel Faserkern Reflexionsspektrum FBG Transmissionsspektrum λ B λ λ B λ

15 Dehnungsmessung mit FBG-Sensoren Intensität FBG 1 λ 1 λ 2 FBG 2 λ B1 λ B2 λ Dehnung Temperatur B (1 p ) [ (1 p ) ] T eff eff SiO 2

16 Armkörpermodellierung Modell Experimentalsystem Dekremente: 0,34 0,27 Eigenfrequenzen [Hz]: 3,8 3,3

17 Gliederung Wozu eigentlich elastische Roboter? TUDOR Aktive Schwingungsdämpfung Ein Blick in die Zukunft

18 Konzepte zur aktiven Schwingungsdämpfung Erlaubt : einfache Implementierung, aber nur: eine lokale Dämpfung. modellfreie Ausgangsrückkopplung modellbasierte Ausgangsrückkopplung Störgrößenaufschaltung aktive Schwingungsdämpfung Zustandsregelung Erfordert: ein Modell, mit: Echtzeitfähigkeit und hinreichender Genauigkeit sowie robuste Regelungskonzepte

19 Einzelachsregelung mit Schwingungsdämpfung Modellfreier Dämpfungsansatz für einen planaren Roboterarm: Ge, S.S.; Lee, T., H.; Zhu, G.: Improving regulation of a single-link flexible manipulator with strain feedback. In: IEEE Transactions on Robotics and Automation 14 (1998), Nr. 1, S

20 Dämpfungserfolg

21 Erweiterung der Schwingungsrückführung

22 Erweiterung der Schwingungsrückführung

23 Schwingungsmitkopplung in der Vertikalstellung

24 Schwingungsmitkopplung in der Vertikalstellung

25 Gliederung Wozu eigentlich elastische Roboter? TUDOR Aktive Schwingungsdämpfung Ein Blick in die Zukunft

26 Ein Blick in die Zukunft Modellbildung über Modalanalsyse Modellbildung über Konzentrierte Parameter Echtzeitfähige bildbasierte Regelung Modellidentifikation Zustandsschätzung Modellunterstützte Regelung Ausgangsrückkopplun g Störgrößenaufschaltung aktive Schwingungsdämpfung modellbasier te modellfreie Ausgangsrückkopplun g Zustandsreg elung Heute

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Torsten Bertram Lehrstuhl für Regelungssystemtechnik