Occubot VI - Industrieroboter als intelligentes Sitztestsystem

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1 Occubot VI - Industrieroboter als intelligentes Sitztestsystem Zusammenfassung Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz eines Knickarmroboters als flexibles Sitztestsystem. Hierzu wird eine Standardrobotersteuerung um Kraftregelungsalgorithmen und neue Bewegungsprofile ergänzt. Die Kraftregelung erlaubt die Kompensation der statischen Kräfte welche durch das Eigengewicht des Dummies verursacht werden. Die neu definierten Bewegungen erlauben die Ausführung von unabhängigen Sinusschwingungen in allen Dimensionen des Arbeitsraumes bzw. das zeitindizierte Abfahren von benutzerdefinierten Punkten. Abstract Dipl.-Inform. Frank Beeh, Dr.-Ing. Thomas Längle In this paper we introduce a new system for testing applications that is using a standard robot as basic part of that system. The robot control is extended by force control algorithms and new movement profiles. The force control is able to compensate the static forces caused by the weight of the dummy. The new defined movements allow the execution of independent sinusoidial movements in every cartesian dimension and duplicate the reaching of user specified points with the right timing and loading. 1 Einleitung Die bisher eingesetzten Systeme für automatisierte Belastungstests sind teure Spezialmaschinen, welche ausschließlich für einen bestimmten Testvorgang entwickelt werden. Sie sind nur in der Lage sehr einfache Bewegungsvorgänge mit einfacher Kraftbzw. Momentregelung durchzuführen. Prof. Dr.-Ing. Heinz Wörn, Karlsruhe Terry O Bannon, Detroit John Lentz, Detroit Dipl.-Ing. Bernd Schnoor, Augsburg

2 Diese Systeme waren bisher nicht flexibel genug um in vielen Fällen die tatsächlich auftretenden Belastungsvorgänge genau zu reproduzieren. Da dies jedoch eine unabdingbare Voraussetzung für eine brauchbare Vorhersage des Verschleißes beim späteren Einsatz des Sitzes ist, ist es unumgänglich flexiblere Systeme zu entwickeln. Hierfür bietet sich der Einsatz von Robotern an [2]. Diese sind frei programmierbar und können nahezu beliebige Bahnen abfahren, wodurch sie für unterschiedlichste Tests einsetzbar sind. Weiterhin sind sie vergleichsweise kostengünstig und verkürzen die Entwicklungszeiten, welche bei der Umstellung auf einen neuen Test normalerweise durch die Planung und Konstruktion des Testaufbaus entstehen. Allerdings haben herkömmliche Industrieroboter auch folgende Nachteile: schlechte absolute Positioniergenauigkeit, unzureichende Standardbewegungen (PTP, linear und zirkular), keine Kraftregelung. Vorgestellt wird nun ein Robotersystem welches diese Nachteile kompensiert bzw. ganz beseitigt. Dieses System ist in erster Linie für den Einsatz als Sitztestsystem entwickelt, ist aber flexibel genug, um auch andere Belastungstests durchzuführen. 2 Ansatz 2.1 Systemaufbau Als Basis wird ein Industrieroboter der Firma KUKA Roboter GmbH eingesetzt. Dieser verfügt über eine moderne Steuerung, deren Kern ein Standard-PC bildet. Auf diesem läuft parallel das Echtzeitbetriebssystem VxWorks zur Steuerung des Roboters und Windows 95 als Bedienoberfläche. Die Steuerung besitzt eine frei programmierbare Schnittstelle, welche es erlaubt, auf einfache Weise neue Funktionen zu integrieren. Als Kraftmeßsytem wird eine 6D-Kraftmeßdose der Firma ATI Industrial Automation eingesetzt. Diese kann leicht über eine ISA- Abbildung 1: Das Sitztestsystem Occubot VI

3 Karte in die Robotersteuerung integriert werden. Der Sensor ist zwischen dem Flansch des Roboters und dem Testdummy angebracht. Abbildung 1 zeigt das Testsystem im Betrieb. 2.2 Systembeschreibung Die in der Einleitung erwähnten Probleme lassen sich nicht mit den standardmäßig vorhandenen Funktionalitäten einer Robotersteuerung lösen. Daher sind einige Weiterentwicklungen notwendig. Die unzureichende Positioniergenauigkeit ist ein Problem, welches vor allem bei der Offlineprogammierung eine Rolle spielt. In herkömmlichen Industrieumgebungen werden die Bewegungen eingeteacht, so daß nur die Wiederholgenauigkeit wichtig ist. Diese ist wesentlich besser (kleiner als ein Millimeter) als die absolute Positioniergenauigkeit (größer als 10 Millimeter). Bei den meisten Testapplikationen hat die genaue Einhaltung der Bahn nicht die höchste Priorität. Viel wichtiger ist hier die möglichst genaue Reproduktion der Kräfte und Momente, um eine die korrekte Belastung des Testobjektes sicherzustellen. Die Positioniergenauigkeit ist also in den meisten Fällen ausreichend, da oftmals keine exakte Positionsmessung notwendig ist. Die standardmäßig vorhandenen Bewegungsformen wie Linear-, PTP- und Zirkular- Bewegungen sind nicht ausreichend um alle notwendigen Bewegungsvorgänge zu beschreiben. Daher wurden folgende neue Bewegungsformen implementiert. Sinusförmige Bewegungen im Arbeitsraum. Hierbei sind Frequenz, Phase, Amplitude und Offset in jeder Dimension frei wählbar. Dadurch lassen sich unterschiedlichste Bewegungen wie z.b. Kreise, Schrauben, Drehbewegungen mit überlagerter Sinusschwingung, usw. realisieren. Zeitindizierte Bewegungen zum Abfahren einer frei definierten Bahn. Diese ist durch Punkte spezifiziert, welche zu fest vorgegebenen Zeitpunkten erreicht werden müssen. Die Interpolation der Bahn zwischen zwei vorgegebenen Bahne wird hierbei durch Polynome vorgenommen. Durch diese beiden Basistypen lassen sich nahezu alle bei Testapplikationen notwendigen Bewegungen einfach beschreiben und präzise ausführen. Wie oben erwähnt spielt das Erreichen der gewünschten Kräfte und Momente eine große Rolle. Hierzu wurde eine 6D-Kraftmeßdose an der Flansch des Roboters montiert. Intelligente Auswerteverfahren erlauben die Kompensation statischer Kräfte welche aus dem Eigengewicht des Testdummies resultieren. Diese Kompensation kann auf zwei Arten durchgeführt werden.

4 Eine einfache Messung der inneren Kräfte und Momente im unbelasteten Zustand und der Abzug derselben während des Tests ist ausreichend, wenn sich die Orientierung des Dummies während des Tests nicht verändert. Ist dies nicht der Fall, führt dies zu wechselnden inneren Kräften. Dies läßt sich aber gemäß dem in [1] beschriebenen Verfahren kompensieren, wenn der Schwerpunkt und das Gewicht der Testpuppe bekannt sind. Die Parameter lassen sich durch eine einfache Kallibrierbewegung ermitteln. Allerdings ist damit keine Kompensation der Kräfte, welche auf Grund der Dynamik auftreten, möglich. Dies ist in den meisten Fällen auch nicht notwendig, da entweder die Bewegung vergleichsweise langsam ist, oder das Gewicht der am Roboter angebrachten Testapparatur so gering ist, daß die daraus resultierenden Kräfte vernachlässigbar klein sind. Als weitere Optionen ist auch die Transformation in unterschiedliche Koordinatensysteme (z. B. in das des Testobjektes) möglich und die Umwandlung in verschiedene Einheiten möglich. Bei der Kraftregelung wird die vorgegebene Bahn nur als Startbedingung angesehen. Diese wird in jedem Testzyklus angepaßt um die vorgegebenen Belastungen auf das Testobjekt aufzubringen. Hierzu werden die auftretenden Kräfte an vorher spezifizierten Punkten gemessen und mit den vorgegebenen Sollkräften verglichen. Aus der Differenz der beiden wird dann ein Korrekturoffset für die Bahn berechnet, welcher im nächsten Testzyklus berücksichtigt wird. Da die vorgenommenen Korrekturen protokolliert werden, läßt sich genau verfolgen, wie die Abnutzung des Testobjekts im Laufe des Tests fortgeschritten ist. Durch dauernde Anpassung an die Sollkraft wird auch nach vielen Testzyklen noch die korrekte Belastung des Sitzes sichergestellt. 3 Ergebnis Das Resultat dieser Entwicklung ist ein flexibles und kostengünstiges Testsystem, welches nahezu alle gebräuchlichen Testapplikationen durchführen kann. Mit Hilfe einer einfachen Bedienoberfläche lassen sich die Testvorgänge schnell programmieren, überwachen und protokollieren. Durch die Kraftregelung wird eine höhere Genauigkeit als bisher erreicht. Dies führt zu einer besseren Qualität der Tests, wodurch die Vorhersagekraft auf den tatsächlichen Verschleiß im realen Betrieb steigt. Die freie Programmierbarkeit der Bewegungen erlaubt wesentlich realistischer Testbewegungen. So ist beispielsweise eine Ingress-/Egress-Bewegung mit Kraftanpassung möglich.

5 4 Zusammenfassung und Ausblick Vorgestellt wurde die Entwicklung eines neuartigen Testsystems. Es ist primär als Sitztestsystem entwickelt worden, ist aber auch für andere Testapplikationen einsetzbar. Benutzt wird ein herkömmlicher Industrieroboter als einfache und flexible Bewegungseinheit. Erweitert wird dieses System durch die Anbindung einer 6D- Kraftmeßdose und die Auswertung derselben. Die Robotersteuerung wurde um neue Bewegungsarten (sinusförmig, zeitindiziert, kraftgeregelt) ergänzt um eine möglichst genaue Reproduktion unterschiedlichster Sitztestvorgänge durchführen zu können. Das vorgestellte System verwendet einen starren Dummy (SAE-Manekin). Zusammen mit der Lear Corporation und der KUKA Roboter GmbH arbeiten wir momentan an der Entwicklung der LifeForm. Dies ist ein beweglicher Dummy mit einer menschlichen Skelettstruktur, welche von einem speziellen, fleischähnlichem Material umgeben ist. Der Oberkörper und die Beine sind beweglich. Abbildung 2 zeigt den Prototypen von hinten. Geplant ist nun, neben der Hauptbewegung der Testpuppe auch die Extremitäten durch zusätzliche Achsen zu bewegen. Zur Ermittlung der Bahnen werden die Bewegungen und die Kraftverläufe bei Testpersonen aufgezeichnet. Diese sollen in Zukunft automatisch in Roboterbahnen umgewandelt werden. Als weitere Ergänzung soll auch die Kraftverteilung auf dem Sitz besser reproduziert werden. Hierzu werden die auftretenden Kräfte mittels einer Sensormatte aufgezeichnet. Die Kraftregelung kann in diesem Fall nicht mehr mit Standardverfahren durchgeführt werden, daher wird der Einsatz von Neuronalen Netzen geprüft. Referenzen [1] Müller, M.: Roboter mit Tastsinn, Fortschritte der Robotik, 20, Vieweg, Wiesbaden [2] Stewart, R., O Bannon, T., Müller, M., Beeh, F., Schnoor, B. and Lentz, J.: Creating the Next Generation Ingress/Egress Robot, SAE Technical Patper Series # , Warrendale, PA. Abbildung 2: Prototyp der LifeForm