RoboAssistent: Intuitives Programmieren von Fügevorgängen

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1 RoboAssistent: Intuitives Programmieren von Fügevorgängen Günter Schreiber

2 Plug-And-Play Antriebs- und Steuerungskonzepte für die Produktion von morgen Neue Robotersysteme Produktinnovationen Anwendungen Steuerung Industrieroboter Kart. Steuerung Kuka Basissteuerung Entwurfstechnologien für Plug & Play Steuerung Regler Antriebe Sensoren / Peripherie Kommunikation ms ms ms Hochgeschwindigkeitsbus (z.b. Firewire, Ethernet) Dipl.Ing. Günter Schreiber 2

3 Neue Robotergeneration: Nachgiebiger Produktionsassistent Symbiose aus Industrierobotersteuerung und Serviceroboter Leichtbauroboter Design als Service Roboter Technologietransfer in Industrie Nachgiebig durch Drehmomentensensorik Kinematische Redundanz Industrierobotersteuerung KUKA KRC Positionsgeregelte Roboter mit bis zu sechs Achsen plus sechs Zusatzachsen Programmablaufsteuerung (KRL) Bedienoberfläche & Bediengerät In der Industrie eingeführte Programmierumgebung Vorteile Direkte Berührung zwischen Mensch und Maschine möglich und erwünscht Neue Programmiermethoden Programmieren durch Anfassen Neue Produktionsmethoden Hohe Bandbreite bei Fügevorgängen Hohe Fehlertoleranz Dipl.Ing. Günter Schreiber 3

4 Neue Programmiermethoden durch Nachgiebigkeit Dipl.Ing. Günter Schreiber 4

5 Pilotdemonstrator Kombination des Leichtbauroboter mit dem Look&Feel einer Industrieroboter Bedienschnittstelle RoboAssistent KUKA - KRC - LBR Nutzen? Entwicklung neuer Anwendungen mit dem Prototypensystem Evaluierung und Verbesserung der Steuerung (Module) und Hardware Marktpotential bewerten Zielkostenfindung (Target Cost) Dipl.Ing. Günter Schreiber 5

6 Industrierobotersteuerung KUKA KRC Positionsgeregelte Roboter mit bis zu sechs Achsen plus sechs Zusatzachsen Programmablaufsteuerung (KRL) Bedienoberfläche & Bediengerät In der Industrie eingeführte Programmierumgebung Dipl.Ing. Günter Schreiber 6

7 -Leichtbau-Roboter LBR I (ca. 1992) LBR III real (2002) LBR II virtuell (ca. 1998) Dipl.Ing. Günter Schreiber LBR II real (ca. 1999) LBR III virtuell (2000) 7

8 Leichtbau Leichtbauroboter mit elastischen Gelenken Regelungsansätze: Gelenk-Drehmoment- Sensorik Schlüsseltechnologie: Ausgangspunkt: Positionsregelung mit Schwingungsdämpfung Programmierbare Nachgiebigkeit ( Soft Robotics ) Ziele: präzise Roboterbewegung sichere Interaktion mit Menschen Dipl.Ing. Günter Schreiber 8

9 Kart. Schnittstelle Basissteuerung Cartesian Compliant Behavior Slow Cart. Task (6-10ms) Admittance control Force Controller Inverse kinematics for redundant, nonholonomic systems Variable gains for joint stiffness control & vibration damping Stiffness control (Salisbury 80) Projection of stiffness & damping: Cartesian to joints null-space to joints Operational space Robot dynamics Joint space Impedance control (Hogan 85) (Khatib 93) Cartesian stiffness & damping matrices Jacobian Fast Cart. Task (1ms) Direct kinematics Desired Torque computation 1ms bus Joint task 0.33ms Position control k=max Impedance k=0 control Torque control Intelligenter Antrieb Dipl.Ing. Günter Schreiber 9

10 Kartesische Steifigkeitsregelung f {xd x _ f M K k D k x d Dipl.Ing. Günter Schreiber 10

11 Kart. Schnittstelle Basissteuerung Cartesian Compliant Behavior Slow Cart. Task (6-10ms) Admittance control Force Controller Inverse kinematics for redundant, nonholonomic systems Variable gains for joint stiffness control & vibration damping Stiffness control (Salisbury 80) Projection of stiffness & damping: Cartesian to joints null-space to joints Operational space Robot dynamics Joint space Impedance control (Hogan 85) (Khatib 93) Cartesian stiffness & damping matrices Jacobian Fast Cart. Task (1ms) Direct kinematics Desired Torque computation 1ms bus Joint task 0.33ms Position control k=max Impedance k=0 control Torque control Intelligenter Antrieb Dipl.Ing. Günter Schreiber 11

12 Inverse Kinematik für kinematisch redundante Roboter Dipl.Ing. Günter Schreiber 12

13 Kart. Schnittstelle Basissteuerung Cartesian Compliant Behavior Slow Cart. Task (6-10ms) Admittance control Force Controller Inverse kinematics for redundant, nonholonomic systems Variable gains for joint stiffness control & vibration damping Stiffness control (Salisbury 80) Projection of stiffness & damping: Cartesian to joints null-space to joints Operational space Robot dynamics Joint space Impedance control (Hogan 85) (Khatib 93) Cartesian stiffness & damping matrices Jacobian Fast Cart. Task (1ms) Direct kinematics Desired Torque computation 1ms bus Joint task 0.33ms Position control k=max Impedance k=0 control Torque control Intelligenter Antrieb Dipl.Ing. Günter Schreiber 13

14 Unterschiede zu bisherigen Industrierobotern Nachgiebigkeit Neu: Gelenke dürfen Abweichung zur kommandierten & geplanten Position aufgrund von Kontaktsituationen aufweisen DAMIT: Roboter befindet sich nicht an kommandierter Position Annahmen aufgrund der bisherig ausschließlich genutzten Positionsregelung nicht mehr gültig Rückpositionierung Schleppfehlerüberwachung (-> Sicherheit) Kinematische Redundanz bisherige Robotergenerationen besitzen eindeutige Beziehungen zwischen kartesischer und Gelenkwinkel Welt Dipl.Ing. Günter Schreiber 14

15 Sicherheit Ablagen von geplanter Bahn möglich bisherige Schleppfehlerüberwachung verliert ihre zentrale Bedeutung Beim Teachen direkter Kontakt zwischen Mensch und Roboter Zustimmungsschalter, Bedienteile sollten zusätzlich am Roboter verfügbar sein (Ergonomie & Sicherheit) Not-Aus Dipl.Ing. Günter Schreiber 15

16 Zusammenspiel LBR KUKA RC Azyklische Kommandos Impedanz-, Redundanzparameter KUKA Steuerung Zyklische Kommandos Interpolierte kartesische Positionen Interpolierte Gelenkwinkel Zustand, Messwerte LBR Taktung Dipl.Ing. Günter Schreiber 16

17 Neue Robotersysteme, Produktinnovationen, Anwendungen Dipl.Ing. Günter Schreiber 17

18 Automatica 2004 Dipl.Ing. Günter Schreiber 18

19 Ausblick Wichtiger Schritt: Service Roboter müssen die Forschungslabors verlassen Technologie-Demonstrator für ausgewählte Systempartner und Endanwender Fernziel: Produktions-Assistent Dipl.Ing. Günter Schreiber 19