Modellgestützte Online-Programmierverfahren für Industrieroboter
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- Innozenz Sternberg
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1 Modellgestützte Online-Programmierverfahren für Industrieroboter 40. Sitzung des FA 4.13 Steuerung und Regelung von Robotern Universität Karlsruhe(TH) Institut für Prozessrechentechnik,Automation und Robotik (IPR) Prof. Dr.-Ing. Heinz Wörn July 27, 2007
2 Gliederung 1 Einleitung und Motivation Aktuelle Trends Heutige Strategien zur Programmierung von Industrierobotern 2 Modellgestützte Online-Programmierung: Grundfunktionen Elemente Mensch-Roboter-Verfahrschnittstelle (MRV): Probleme MRV: Basisbewegungssteuerung MRV: Modularer Funktionsbaukasten 3 Modellgestützte Online-Programmierung: Erweiterte Funktionen MRV: Unterstütztes Fahren entlang eines Pfades MRV: Kollisionsvermeidung MRV: Bewegungsunterstützung 4 Zusammenfassung und Ausblick
3 Aktuelle Trends Was sich in den letzten 5 Jahren geändert? Geändert: Funktionsumfang einer Robotersteuerung immens angewachsen Roboter werden immer flexibler eingesetzt Determinismus wird aufgelockert (Sensorgeführte Bahnen, kooperierende Roboter) Nicht geändert: Roboter werden immer noch über ein Panel mit Display und Knöpfen gesteuert (Ausnahme: Spacemaus, Nullkraftregelung,... ) Kaum Unterstützung des Programmierers durch die Robotersteuerung Kein Feedback und Reaktion der Robotersteuerung auf aktuellen Zustand des Programmierers Starre Unterscheidung zwischen Programmier- und Verfahrmodus
4 Heutige Strategien zur Programmierung von Industrierobotern Online-Programmierung Eingabemedium Bedienpanel Ort Produktionsstätte Vorteil Nachteil Mensch ist sehr flexibler Sensor / Aktor Einfache Kalibrierung Eventuell lange Stillstandszeiten (Test, Optimierung... ) Hohes Risiko der Beschädigung von Objekten Spezialanwendungen kaum handhabbar (z.b. Kooperierende Roboter)
5 Heutige Strategien zur Programmierung von Industrierobotern Offline-Programmierung Eingabemedium Maus, Tastatur,... Ort Simulationssystem Vorteil Nachteil Unterstützung durch Automatische Verfahren (z.b. Optimierung) Sanktionsfreies Testen Theoretisch kein Produktionsausfall bzw. kurzer Stillstand Genaue Modellierung aller Objekte Benötigt hochgenaue Kalibrierung von Roboter, Werkzeug, Werkstück
6 Heutige Strategien zur Programmierung von Industrierobotern Online-/Offline Programmierung... ein subjektives Fazit Problem Online- und Offline-Welt sind weitestgehend getrennt Ziel ist Möglichst Nachteile beider Welten eliminieren und die Vorteile vereinen Neue Einsatzgebiete für Industrieroboter erschließen: Bereich flexible Fertigung komplexer Teile durch intensive Mensch-Roboter-Interaktion Es fehlt eigentlich Transfer von Elementen der Offline-Welt in die Online-Welt zur Untersützung des Arbeiters/Programmierers
7 1 Einleitung und Motivation Aktuelle Trends Heutige Strategien zur Programmierung von Industrierobotern 2 Modellgestützte Online-Programmierung: Grundfunktionen Elemente Mensch-Roboter-Verfahrschnittstelle (MRV): Probleme MRV: Basisbewegungssteuerung MRV: Modularer Funktionsbaukasten 3 Modellgestützte Online-Programmierung: Erweiterte Funktionen MRV: Unterstütztes Fahren entlang eines Pfades MRV: Kollisionsvermeidung MRV: Bewegungsunterstützung 4 Zusammenfassung und Ausblick
8 Elemente Säulen der modellgestützten Online-Programmierung Vereinfachte Darstellung... Modellgestützte Online- Programmierung
9 Elemente Säulen der modellgestützten Online-Programmierung Vereinfachte Darstellung... Modellgestützte Online- Programmierung Modell
10 Elemente Säulen der modellgestützten Online-Programmierung Vereinfachte Darstellung... Modellgestützte Online- Programmierung Modell Automatische Verfahren
11 Elemente Säulen der modellgestützten Online-Programmierung Vereinfachte Darstellung... Modellgestützte Online- Programmierung Mensch- Roboter- Verfahrschnittstelle Modell Automatische Verfahren
12 Elemente Säulen der modellgestützten Online-Programmierung Vereinfachte Darstellung... Modellgestützte Online- Programmierung Kollisions- /Abstandsberechnung Mensch- Roboter- Verfahrschnittstelle Modell Kalibrierung Automatische Verfahren...
13 Elemente Säulen der modellgestützten Online-Programmierung Vereinfachte Darstellung... Modellgestützte Online- Programmierung Kollisionsvermeidung Mensch- Roboter- Verfahrschnittstelle Modell Kalibrierung Automatische Verfahren Kollisions- /Abstandsberechnung Bahn- planung/- optimierung
14 Elemente Säulen der modellgestützten Online-Programmierung Vereinfachte Darstellung... Intutitive Eingabegeräte Modellgestützte Online- Programmierung Bewegungskonformität Mensch- Roboter- Verfahrschnittstelle Modell Kalibrierung... Automatische Verfahren Kollisions- /Abstandsberechnung Bahn- planung/- optimierung Kollisionsvermeidung
15 Elemente Säulen der modellgestützten Online-Programmierung Vereinfachte Darstellung... Intutitive Eingabegeräte Modellgestützte Online- Programmierung Bewegungskonformität Mensch- Roboter- Verfahrschnittstelle Modell Kalibrierung... Automatische Verfahren Kollisions- /Abstandsberechnung Bahn- planung/- optimierung Kollisionsvermeidung
16 Elemente Hardware: Systemkomponenten Beispiel: Trackingsystem, Eingabegeräte, Roboter, Steuerung, Steuerrechner
17 Mensch-Roboter-Verfahrschnittstelle (MRV): Probleme Demonstration: Panel + Werkzeugmodus Wo liegen die Problem beim Verfahren eines Roboters? Video mit der Demonstration des Verfahrens des Roboters mit dem Panel
18 Mensch-Roboter-Verfahrschnittstelle (MRV): Probleme Problem: Verwirrungsmatrix Beispiel: Verwirrungsmatrix im Weltmodus
19 Mensch-Roboter-Verfahrschnittstelle (MRV): Probleme Anforderungen an eine Mensch-Roboter-Verfahrschnittstelle Die Schnittstelle sollte einfach zu benutzen sein mental wenig belastend einfach zu lernen konsistent zu Vorerfahrungen Ziel ist daher eine intuitive manuelle Robotersteuerung bewegungskonform modular erweiterbar (Basisfunktionalitäten + Komforfunktionen )
20 MRV: Basisbewegungssteuerung Entworfene MRV: Basisfunktionalität Grundkonzept Beobachtung Benutzer Bewegung direkt Nachahmen Eingabegerät Verbunden mit Trackingsystem Digitaler Taster zur Freigabe 1 analoger Drehregler 1 analoger Schieberegler
21 MRV: Basisbewegungssteuerung Demonstration: Basisfunktionalität neue MRV Video mit der Demonstration des Verfahrens des Roboters mit dem bewegungskonformen Eingabegerät
22 MRV: Basisbewegungssteuerung Verwirrungsmatrix Verwirrungsmatrix mit neuer MRV
23 MRV: Modularer Funktionsbaukasten Signalfilter Signalfilter mit Ein- und Ausgängen
24 MRV: Modularer Funktionsbaukasten Signalfilter-Verkettung aus dem Video-Beispiel
25 1 Einleitung und Motivation Aktuelle Trends Heutige Strategien zur Programmierung von Industrierobotern 2 Modellgestützte Online-Programmierung: Grundfunktionen Elemente Mensch-Roboter-Verfahrschnittstelle (MRV): Probleme MRV: Basisbewegungssteuerung MRV: Modularer Funktionsbaukasten 3 Modellgestützte Online-Programmierung: Erweiterte Funktionen MRV: Unterstütztes Fahren entlang eines Pfades MRV: Kollisionsvermeidung MRV: Bewegungsunterstützung 4 Zusammenfassung und Ausblick
26 Erweiterte Funktionen Funktionalität bis jetzt Bewegungskonforme Steuerung des Roboters ohne Schnick-Schnack Weitere Funktionalitäten Fahren entlang eines Pfades Fangbereiche des TCPs Dynamische Kollisionsvermeidung Automatische Bahnplanung mit Interaktionsbereichen
27 MRV: Unterstütztes Fahren entlang eines Pfades Interaktives Fahren entlang eines Pfades Eingabegerät Dynamische Geschwindigkeitsvorgabe durch den analogen Dreh- oder Schieberegler ( vorwärts und rückwärts )
28 MRV: Kollisionsvermeidung Kollisionsvermeidung Funktionalität bis jetzt Bewegungskonforme Steuerung des Roboters ohne Schnick-Schnack Einfaches Pfadmodell Erweiterung des Modells auf Geometrische statische Objekte (real oder virtuell) Dynamische Objekte Bewegungsvorhersage Abbremsstrategie
29 MRV: Kollisionsvermeidung Systembestandteile der Kollisionsvermeidung 4 Komponenten:
30 MRV: Kollisionsvermeidung Systembestandteile der Kollisionsvermeidung 4 Komponenten: Bewegungsvorhersage
31 MRV: Kollisionsvermeidung Systembestandteile der Kollisionsvermeidung 4 Komponenten: Bewegungsvorhersage Bremswegabschätzung
32 MRV: Kollisionsvermeidung Systembestandteile der Kollisionsvermeidung 4 Komponenten: Bewegungsvorhersage Bremswegabschätzung Abstandsberechnung
33 MRV: Kollisionsvermeidung Systembestandteile der Kollisionsvermeidung 4 Komponenten: Bewegungsvorhersage Bremswegabschätzung Abstandsberechnung Dynamische Geschwindigkeitsanpassung
34 MRV: Kollisionsvermeidung Demonstration: Kollisionsvermeidung - Interaktion Video mit der Demonstration der interaktiven Kollisionserkennung
35 MRV: Bewegungsunterstützung Bewegungsunterstützung Funktionalität bis jetzt Bewegungskonforme Steuerung des Roboters ohne Schnick-Schnack Einfaches Pfadmodell Geometriemodell und Kollisionserkennung Erweiterung des Modells auf Einschränkung des TCP-Bewegungsraumes Automatische Bahnoptimierung/Bahnplanung Automatische Bewegungsraumplanung/Zugangsplanung
36 MRV: Bewegungsunterstützung Einschränkung des TCP Beschränkung des TCP auf zugelassene Bereiche Umkehrung der Kollisionserkennung : TCP nur gültig wenn er kollidiert Sicherheitsfeature Entlanggleiten von Körpern und Flächen Hilfe bei Einfädel und Nadelöhr Aufgaben
37 MRV: Bewegungsunterstützung Automatische Planungsverfahren Unterstützung bei der Optimierung Nutzer zeichnet Bahn direkt auf: Bahn wird geglättet Nutzer gibt nur Start und Ziel vor: Bahn wird automatisch generiert
38 MRV: Bewegungsunterstützung Demonstration: Automatische Bahnplanung Video automatische Bahnplanung
39 MRV: Bewegungsunterstützung Automatische Unterstützungsverfahren Unterstützung bei der Optimierung Nutzer gibt nur Start und Ziel vor: Bahn wird automatisch generiert Es werden automatisch Sicherheitsbereiche erzeugt
40 Zusammenfassung Vorstellung einer modellgestützten Mensch-Roboter-Verfahrschnittstelle Kombination aus heutigen Online- und Offline-Verfahren Erlaubt bewegungskonforme und damit intuitive Steuerung des Roboters Unterstützung des Programmieres durch hinterlegtes Modell (Punkte, Pfade, Geometrien real/virtuell) Intelligente Komfortfunktionen durch automatische Planungsverfahren Kollisionsvermeidung Automatische Bahnplanung und Optimierung Automatische Berechnung von Bewegungsbereichen
41 Ausblick Kostenreduktion des Eingabgegerätes durch Inertialsensorik (Wii, Logitech,... ) Weitere Komfortfunktionen wie Einzugspunkte (Snappoints), Einzugspfade, spezielle Einzugsgebiete... Dynamische Kompensation bei Transport von heiklen Gütern Evaluation an weiteren Aufgabenstellungen Modellgenerierung durch Sensorik
42 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
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