Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand
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- Johanna Voss
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1 Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand Sebastian Beck, Arne Lehmann, Jan Martin, Thomas Lotz, Ralf Mikut Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Angewandte Informatik (IAI) 1 Einführung 2 Modellbildung 3 Reglerstruktur - Position 4 Reglerstruktur - Momentenbegrenzung 5 Zusammenfassung und Ausblick Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 1
2 Einführung - Motivation Greifer für die Interaktion mit dem Menschen Anthropomorphe 5-Finger-Hand Antrieb durch flexible Fluidaktoren Einsatz als Prothese (vom Menschen gesteuert) Maschinelles Ausführung von Griffen: Positions- und Kraftregelung Teile der vorgestellten Arbeiten werden von der DFG im Rahmen des SFB 588 Lernende und kooperierende multimodale Roboter gefördert. Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 2
3 Einführung - Funktionsprinzip flexibler Fluidaktor flexible Fluidaktoren für Rotation der Gelenke Flexible Kammer Kunststoff leicht 11 DOF: 2 je Finger, Daumen mit 3. Gelenk für Opposition Aluminium-Skelett ϕ Gelenk Fluidaktor Fluidzuleitung Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 3
4 Einführung - Systemstruktur Gelenkregelung Pneumatische Strecke: Kompressor 3/2 Wegeventil mit unterlagerter Druckregelung Fluidaktor Winkelsensor zur Bestimmung des aktuellen Gelenkwinkels ϕ Winkelsensor J ϕ M (ϕ,p ) p Fluidaktor Ziele der Modellbildung: Grundverständnis Regelung Reglerstruktur Greifplanung Reglerentwurf hier nur für Fingergelenk-Basisregler ϕ P soll 3 /2 Wege Ventil Fluidversorgung Kompressor Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 4
5 Modellbildung - Struktur Ventil M Stör Gelenk p soll p M K Ventil f(ϕ,p ) st + 1 _ 1 J ϕ 1 s ϕ 1 s ϕ d M (p, ϕ ) + M Stör = J& ϕ & + dϕ& Modellstruktur aus theoretischer Modellbildung Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 5
6 Modellbildung - Experimente M[Nm] ϕ[ ] p[bar] M(p, ϕ ) ϕ ( p, M = 0 ) AP statisches Kennfeld (experimentell): multilineare Approximation: M(p M ϕ[ ] =, ϕ) = f(p a 0 + a 1, ϕ) ϕ + a p[bar] 2 p + a 3 ϕp Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 6
7 Modellbildung - Experimente M[Nm] Nachgiebigkeit des Fluidaktors: - Ventil geschlossen - pv=konst. - Linien gleicher Fluidmasse (schwarz) ϕ[ ] p[bar] Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 7
8 Modellbildung - Simulationsergebnisse Hysterese Statische Endlagen Drift Dynamisches Verhalten: Hysterese, Drift Materialgesetz Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 8
9 Modellbildung - Materialgesetz Ventil M Stör Gelenk p soll p M K Ventil f(ϕ,p ) st + 1 _ 1 J ϕ 1 s ϕ 1 s ϕ Materialgesetz Materialgesetz d mit: A(p A& (p aktor aktor (t)),a) Kriechgrad Änderungsgeschwindigkeit des Kriechgrades Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 9
10 Modellbildung - Simulation Messungen Deutliche Verbesserung der Modellgüte durch das Materialgesetz Parameterschätzung mit Optimierungsverfahren (reale Daten Simulation) Q( x) = ( λ ( ϕ[] k ϕsim[] k ) + (1 λ) ( ϕ[] k ϕsim[] k ) ) mit: TEnd k=1,..., TEnd, TEnd: Anzahl der Abtastzeitpunkte x Parametervektor Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 10
11 Reglertyp: adaptiver PID-Regler mit Führungsgrößenaufschaltung, Anpassung von K R und T n an den aktuellen Arbeitspunkt ( ϕap, pap) Linearisierung: VZ2-Glied mit arbeitspunktabhängiger Verstärkung KS( ϕap) und den Zeitkonstanten T 2 0 und T 1( ϕap) Reglerstruktur - Adaption Kompensation Streckenverstärkung S( AP) und Zeitkonstante K ϕ T 1( ϕap) Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 11
12 Implementierung des Regelalgorithmus auf einem PC und experimentelle Erprobung Reglerstruktur - Ergebnisse Vergleich von Führungsgrößenverlauf und Regelgrößenverlauf Auswertung ϕ Mit Adaption 2,1 Ohne Adaption 5,5 ϕ [ ] t [s] ϕ führ (t) ϕ ist (t) (mit Adaption) ϕ ist (t) (ohne Adaption) UPID 47,9 30,5 Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 12
13 Momentenbegrenzung - Struktur ϕ ist M max Inverses kennfeld p max M Stör ϕ soll _ Positions- Regler p R p soll p min Ventil Gelenk ϕ ist Momentenbegrenzung (Überwachung des Greifvorganges): modellbasierte Begrenzung des Stellbereichs des Positionsreglers Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 13
![Momentenbegrenzung - Ergebnisse 0.8 0.7 0.6 M [Nm] 0.5 0.4 0.3 0.2 M max 0.1 0 Versuchstand: Schrittmotorpositionierung: ϕ ist Drehmomentsensor: M -0.](/docs-images/68/59832596/images/14-0.jpg "1 0 30 60 90 ϕ ist [ ] Experiment: Reglerführungsgröße ϕ soll =90 M max = (rot) / 0,15 Nm (grün) ϕ ist : 90 -> 0 Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene")
14 Momentenbegrenzung - Ergebnisse M [Nm] M max Versuchstand: Schrittmotorpositionierung: ϕ ist Drehmomentsensor: M ϕ ist [ ] Experiment: Reglerführungsgröße ϕ soll =90 M max = (rot) / 0,15 Nm (grün) ϕ ist : 90 -> 0 Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 14
15 Zusammenfassung Modellbildung für ein Fingergelenk einer pneumatisch betriebenen Roboterhand Durch die Implementierung eines Materialgesetzes deutliche Verbesserung des Streckenmodells Vorstellung eines adaptiven PID-Reglers Die nichtlineare statische Kennlinie der Strecke wurde herausgearbeitet und über die Adaption des Reglers kompensiert Vorstellung einer Momentenbegrenzung und Präsentation erster Ergebnisse Weitere Informationen in: Seite: Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 15
16 Ausblick Identifikation der hydraulischen Strecke Mehrgelenkregelung Kraftregelung Hydraulische Fingergelenkregelung Simulation, Experiment Sensorbasiert Sebastian Beck, Steuerungs- und Regelungskonzepte für eine fluidisch betriebene Roboterhand, GMA-FA 4.13, , Seite 16
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