Hybride Kraft- und Positionsregelung

Hybride Kraft- und Positionsregelung

Thomas Morper

In dieser Seminararbeit geht es um die Einführung in die hybride Kraft- und Positionsregelung, einer Robotersteuerung bei der sowohl die Positi­on des Roboterarms bzw. des Effektors als auch die ausgeübten Kräfte eine Rolle spielen (anstatt wie sonst üblich nur einer der beiden Fakto­ren).
Zuerst gibt es eine generelle Einführung in den Aufbau einer Steuerung eines Roboters und welche verschiedenen Techniken dafür in der Praxis eine Bedeutung erlangt haben.
Es folgen Ausführungen zu den verschiedenen Möglichkeiten der Kombi­nation von Kraft- und Lageregelung - neben der Möglichkeit einer passi­ven Nachgiebigkeit des Roboters 3 verschiedene aktive Regelungen.
Zum Abschluss wird eine Projektarbeit der Universität Kaiserslautern vorgestellt, in der an einem käuflich zu erwerbenden Standard-Roboters eine Hybridregelung implementiert wurde.

1. Grundlagen der Robotersteuerung

1.1. Steuerung

Mit dem Begriff der Steuerung bezeichnet man die einfachst mögliche Ansteuerung ei­nes Gerätes. Die Steuerung gibt an das Gerät einen Wert wie es sich bewegen soll, es findet aber keine weitere Kontrolle statt ob sich das Gerät tatsächlich so bewegt hat wie es vorgesehen war.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Blockschaltbild einer Steuerung

Tatsächlich kann sich das Gerät durch äußere Einflüsse ganz anders be­wegt haben ohne dass dieser Fehler von der Steuerung korrigiert wer­den könnte.

1.2. Reglung

Unter einer Regelung versteht man eine Steuerung, die um Sensoren am Gerät sowie eine Rückkopplung mit der Steuerelektronik erweitert wur­de. „Die Regelung verarbeitet dabei aktuelle Zustände des Robotersys­tems und der Umgebung, die mit Mess- und Sen­sorsystemen erfasst werden“ (/01/)

An den Gelenken oder sonstigen beweglichen Teilen eines Gerätes oder Roboters sind Sensoren angebracht, die den aktuellen Ist-Status des Ge­lenkes messen und über die Rückkopplung an die Steuerelektronik zu­rückmelden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Blockschaltbild einer Regelung

Die Steuerelektronik vergleicht die gemeldeten Ist-Daten mit den vorher ausgegebenen Soll-Daten, berechnet die durch äußere Einflüsse entstan­denen Abweichungen, und gibt neue Soll-Daten an die Gelenke um die Ursprünglich gewünschte Position zu erreichen.

Dabei gibt es verschiedenen Möglichkeiten der Nachregulierung: Möglich ist z. B. dass die Steuerung versucht in einem Schritt auf die eigentliche Soll-Position zu kommen. Dies kann jedoch häufig zur Überregelung und zum Schwingen des Gelenkes führen. Eine andere Möglichkeit wäre den Feh­ler in mehreren kleinen Schritten zu korrigieren, was allerdings in der Re­geln eine länger Zeitspanne in Anspruch nimmt.

Häufig wird für die Regelung ein sog. PID-Regler mit folgender Gleichung verwendet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese Gleichung besteht aus einem Linearteil, einem Integralteil und einem Differenzi­alteil:

- Der Linearteil der Gleichung sorgt dafür dass die Korrektur größer wird je höher die Abweichung ist.
- Der Integralteil der Gleichung sorgt dafür dass die Korrektur größer wird je länger die Abweichung bestand hat.
- Der Differentialteil der Gleichung sorgt dafür dass die Korrektur größer wird je schnel­ler die Abweichung zu Stande kommt.

Jeder dieser 3 Teile ist mit einem multiplikativen Parameter versehen der für jedes Sys­tem individuell bestimmt werden muss.

1.3. Positions-/Lageregelung

„Bei der Lageregelung soll der Effektor [Greifer, Bearbeitungswerkzeug, etc.] unabhän­gig von ausgeübten Bearbeitungskräften und aufgenom­menen Lasten, die Regelungs­technisch als Störung aufgefasst werden, ein definiertes Bewegungsverhalten anneh­men“. (/01/) Dem Roboter wird also von der Steuerung ein genauer Zielpunkt vorgege­ben den der Roboter anfahren soll. Durch eine Sensoreinrichtung wird die Position stän­dig kontrolliert und ggf. korrigiert.

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Abbildung 3: Blockschaltbild einer Positionsregelung

Ein Problem stellt hierbei die Tatsache dar dass bei den meisten Robotern mit Lagerege­lung der Zustand der einzelnen Gelenke überwacht wird. Aufgrund z. B. von sich unter größeren Lasten biegenden Armteilen kann, trotz der Überwachung der einzelnen Ge­lenke, aber dennoch nicht zweifelsfrei auf die Position des Effektors geschlossen wer­den – auch wenn diese Tatsache in der Praxis meist ignoriert wird.

Ein Ausweg stellt hier die kartesische Lagereglung dar. Hierbei wird nicht der Zu­stand der einzelnen Gelenke überwacht, sondern die Position des Effektors. Dazu ist aller­dings ein entsprechendes Vermessungssystem (z. B. Kamera oder 3D-Scan­ner) nötig. Leider sind viele dieser Sensoren auch nicht genauer und stellen die Messwerte wegen relativ hoher Verarbeitungszeiten nur verzögert zur Verfügung.

Die Steuereinheit des Roboters berechnet die Bewegungen des Roboters dann im karte­sischen Koordinatensystem, diese berechnete Gesamtbewegung des Roboters wird dann mit Hilfe einer inversen Jacobi-Matrix auf Steuerbefeh­le für die ein­zelnen Gelenke um­gerechnet.

Das Problem bei der Lageregelung ist dass die Umgebung des Roboters genau bekannt sein muss um einen kollisionsfreien Bewegungsablauf planen zu können. Des weiteren muss die exakte Position des zu grei­fenden / bearbeitenden Gegenstandes / Werkstückes bekannt sein um eine Beschädigung oder gar die Zerstörung dieses Gegenstandes zu ver­hindern.

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