Kraft/Momentregelung von Industrieroboternifa/dokumente/robotik/winkler.pdf · Professur Robotersysteme Dipl. -Ing. Alexander Winkler Grundgedanken zur Kraft/Momentregelung Auf dem

Professur Robotersysteme Dipl.-Ing. Alexander Winklerwww.tu-chemnitz.de/etit/robosys

Kraft/Momentregelung vonIndustrierobotern

Dipl.-Ing. Alexander WinklerProf. Dr.-Ing. Jozef Suchý

Technische Universität ChemnitzFakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

Professur Robotersysteme


Grundgedanken zur Kraft/Momentregelung

Auf dem Gebiet der Kraft/Momentregelung (KM-Regelung) von stationären Roboter finden seit mehr als 20 Jahren umfangreiche Forschungsaktivitäten internationaler Institute statt.

Trotz der hohen Verbreitung von Robotern in der Industrie sind diese in den seltensten Fällen mit Kraft/Momentsensorik ausgerüstet.


Gründe für den mangelnden Einsatz vonKM-Regelungen sind u. A.:

Hoher Preis der Sensoren,

Oft unzureichende Einbindung des Sensors in die Robotersteuerung,

Widerspruch zwischen Forschungsergebnissen und Implementierung (Ebene der Einflussnahme).

Grundgedanken zur Kraft/Momentregelung


Ziel dieses Vortrages

Aufzeigen der Möglichkeiten von KM-Regelung an3 unterschiedlichen Robotersystemen. Dazu zählen:

Beschreibung des Systemaufbaus,

Darstellung der Programmiermöglichkeiten,

Implementierung einer Beispielanwendungen,

Charakterisierung der Eigenschaften im Vergleich zu anderen Robotersystemen.


Robotersystem 1 - Beschreibung

Roboter STÄUBLI RX90B mit Steuerung CS7B und6D-KMS von JR3 (Messbereich 200N/20Nm).

Der KMS wird über die dazugehörige VME-Buskarte und das Software-paket AdeptForce in die Steuerung integriert.


Die Programmierung erfolgt in V+. Der Syntax ist ähnlich zu C oder Pascal mit zusätzlichen Kommandos für:

Robotersystem 1 - Programmierung

Positionsabfrage,

Bewegungsgenerierung und -parametrierung,

Koordinatentansformationen.

Durch das Softwarepaket AdeptForce stehen zusätzliche Befehle für den KMS zu Verfügung.


V+ Beispielbefehle

Abfragen der aktuellen Position:here aktuelle_position

Auslesen der Messwerte des KMS:force.read (0) f[ ]

Starten einer Bewegung:move zielposition

MOVE übergibt die Zielposition an den Trajektoriengenerator, der eine ruckfreie Bewegung erzeugt. Er stellt die Sollwinkel für die Achsregler zur Verfügung.


Robotersystem 1 - Beispielanwendung

Konturenverfolgung (Hybride Kraft/Lageregelung):

Kraftregelung in z-Richtung mit P bzw. PI-Regler,

Bewegung entlang der y-Achse

Anwendungsbeispiele: Schleifen, Entgraten, Polieren, …

Auf Federn gelagerte Platte mit unbekannten Profil und im Greifer eingespannten Werkzeug mit kugelgelagerter Rolle.


Fzsoll∆Fz ∆zD z Fz

-

-z0

KzD

Regelstrecke

(z)GRobRegler


Signalflussbild des Reglers für z-Kraft mit Roboter und Umgebung:

Die Regelstrecke hat I-Verhalten. Bei einer rampen-förmigen Störungen folgt mit einem P-Regler eine bleibende Regelabweichung.


Film - Konturenverfolgung mit STÄUBLI RX90B


-5

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Zeit (ms)

Kra

ft (N

)W

eg (m

m)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Weg

(mm

)

FZZY

Konturenverfolgung mit P-Regler


Konturenverfolgung mit PI-Regler

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Zeit (ms)

Kraf

t (N

)W

eg (m

m)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Weg

(mm

)

FZ Z Y



Roboter KUKA KR6/2 mit Steuerung KRC2 und6D-KMS von SCHUNK (Messbereich 660N/60Nm).

Der KMS wird über die dazuge-hörige ISA-Buskarte und das Soft-warepaket FTCtrl in die PC-basier-ende Robotersteuerung integriert.



Möglichkeit 1: FTCtrl-Technologiefunktionen

Programmierung ist zeitsparend, unkompli-ziert und sicher. Aber es stehen nur eingeschränkte Programmiermöglichkeiten zur Verfügung.



Möglichkeit 2: RSI (Robot Sensor Interface)

Logische Verknüpfung von Funktionsblöcken für:

Eingangssignale (Istposition, Messwerte des KMS, …),

Signalverarbeitung (Sum-mation, Multiplikation, …),

Ausgangssignale (Sollposition)

Die Sollposition wird direkt aufdie Achslageregler aufgeschalten.



Kraft/Momentgeregeltes Schrauben:

Anfädeln der Mutter auf dem Gewindebolzen mit einer in RSI programmierten Funktion,

Festschrauben der Mutter mittels Funktionen von FTCtrl.


Film: Kraft/Momentgeregeltes Schrauben



Roboter MANUTEC r3 mit WinDDC Mikrocontrollersteuerung und 6D-KMS von SCHUNK (Messbereich 660N/60Nm).

Von dem originalem Steuerschrank des Roboters wurden nur die Leitungsbau-gruppen beibehalten.



MANUTEC r3 Roboter mit KMS

Leistungs-baugruppen

WinDDC Steuerung

Stand Alone Controllerfür KMS

Signale der IGR-Winkelgeber

Digitale Signale (Referenzpositionen, …)

Analoge Signale der Kräfte und Momente

Sollwerte der Gelenkge-schwindigkeitenfür die Achsver-stärker (analoge Spannungen)

Motorströme

Messwerte der Dehnmessstreifen des KMS

Digitale Signale(Freigabe, …) Serielle

Verbindung

Windows PC für Programmierung, Visualisierung und Steuerung



Die Programmierung der WinDDC Mikrocontrollersteuerung erfolgt am PC mit der Sprache DDC. Sie besteht aus folgenden Funktionen:

Funktionen zur Abfrage und zum Ansteuern der Peripherie (AD, DA),

Regelungstechnischen Grundfunktionen (P, I, D, GP, GZ, PSUM, …)

Sonstigen Funktionen (BEGR, PVE, …).

Das Anwenderprogramm wird zyklisch und in Echtzeit in der Steuerung abgearbeitet. Es kann auch am PC simuliert werden. Visualisierung und Steuerung sind ebenfalls vom PC aus möglich.



Kraftgeführte Bewegung:

Der Roboter weicht externen Kräften und Momenten aus.

Anwendung:

Komfortables Anlernen von Positionen und Orientierungen ohne Verwendung des Handbediengerätes,

Assistenzaufgaben, z. B. beim Bohren


⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

Z

Y

X

Z

Y

X

T

6

5

4

3

2

1

MMMFFF

J

MMMMMM


Neuartiger Ansatz: Kraftgeführte Bewegung im Gelenkraum.

Die im kartesischen Raum ge-messenen Kräfte und Momente werden mit Hilfe der aktuellen Jakobimatrix in entsprechende Gelenkmomente transformiert.




Vorteile:

Das Verhalten des Roboters entspricht mehr unseren natürlichen Erwartungen,

Gleichzeitiges Ändern von Position und Orientierung ist mit gleicher Dynamik möglich,

Es bestehen keine Arbeitsraumbeschränkungen auf-grund des gerade aktiven Konfigurationsraumes,

Singularitäten können ohne Gefahr überfahren werden.




Das gewünschte Verhalten eines jeden Gelenkes wird als Masse-Dämpfer-System berechnet (IT1) und stellt die Sollpositionen und die Sollgeschwindigkeiten für die Achs-regler zur Verfügung.

−qM− q&& qq&

m1

D


Film: Kraftgeführte Bewegung


Vergleich der Robotersysteme

Unterschiedliche Eingriffspunkte in die Roboterbewegung:


Vergleich der Robotersysteme

Dynamische Verhalten am Beispiel von Gelenk 1:

-10

0

10

0 0,5 1 1,5 2

Zeit (s)

Gel

enkw

inke

l (°)

Sollwert

MANUTEC r3STÄUBLI RX 90B

20 ms

170 ms

KUKA KR6/2

80 ms


Zusammenfassung

Anspruchsvolle Aufgaben der Kraft/Momentregelung sind auch mit Standardindustrierobotern möglich.

Je nach verwendeten Steuerungssystem ergeben sich unterschiedliche Beeinflussungsmöglichkeiten der Ro-boterbewegung Dadurch sind die Roboterdynamiken verschieden .

Theoretische Aspekte auf der Basis der Gelenkmomente können bei der Verwendung kommerzieller Roboter zur Kraft/Momentregelung häufig vernachlässigt werden, da auf diese meist keine Möglichkeit der Einflussnahme besteht.


Danke für Ihre Aufmerksamkeit.

Documents

Kraft/Momentregelung von Industrieroboternifa/dokumente/robotik/winkler.pdf · Professur Robotersysteme Dipl. -Ing. Alexander Winkler Grundgedanken zur Kraft/Momentregelung Auf dem