In der Produktionstechnik besteht zunehmend der Wunsch, neue Anwendungsbereiche für Industrieroboter (IR) zu erschließen. Dies liegt vor allem an dem guten Verhältnis von Investitionskosten zu Arbeitsraum sowie der hohen Anzahl an Freiheitsgraden. Dieser Entwicklung stehen bislang jedoch vor allem die begrenzte Absolutgenauigkeit sowie die hohe Schwingungsanfälligkeit von IR gegenüber. Zwar bieten immer mehr Roboterhersteller ihre Manipulatoren mit abtriebsseitiger Sensorik an, allerdings ohne das zusätzliche Potenzial regelungstechnisch voll auszunutzen.

Lösungsansatz

Mittels der gelenkseitigen Positionssensorik können auftretende Schwingungen detektiert und aufgrund der im Vergleich zur Bandbreite der Antriebe vergleichsweise niedrigen mechanischen Eigenfrequenzen aktiv bedämpft werden. Dabei ist zu beachten, dass aufgrund der seriellen Kinematik eine nichtlineare Posenabhängigkeit der Systemeigenschaften einhergeht. Wird diese im Reglerentwurf nicht berücksichtigt, wie das bei der klassischen P-PI-Kaskadenregelung der Fall ist, geht ein hoher Konservatismus einher.

Infolgedessen wurde am ISW der Universität Stuttgart im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts SDaR ein modernes Regelungsverfahren entwickelt, das die klassische P-PI-Kaskadenregelung erweitert. Mit Hilfe eines Unscented Kalman Filter wird auf Basis der am Abtrieb gemessenen Position die gelenkseitige Geschwindigkeit beobachtet. Die so detektierbaren Schwingungen werden in Form additiver Motorsollgeschwindigkeiten aktiv bedämpft, um die dynamische Bahngenauigkeit zu erhöhen. Zur Berücksichtigung der nichtlinearen Roboterdynamik wurde der zunächst mittels einer Linearisierung entworfene, lineare Regelungsansatz durch ein Gain-Scheduling zur adaptiven Regelung erweitert (Bild oben). Um ausreichende Robustheit und Performanz im gesamten Arbeitsraum sicherzustellen, wurde eine systematische Methodik zur Reglerparametrierung entwickelt.

Für die praktische Validierung der adaptiven Regelung steht am ISW ein Kuka KR210-2 IR mit offener Steuerungsplattform sowie zusätzlicher Positionssensorik am Abtrieb (Bild links) zur Verfügung. Anhand von Trajektorienfolgeexperimenten und der Fräsbearbeitung von Testwerkstücken aus Aluminium konnte eine Verbesserung um bis zu 72 % gegenüber der P-PI-Kaskadenregelung aufgezeigt werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Die erzielten Ergebnisse zeigen das hohe Potenzial des adaptiven Regelungsverfahrens für IR mit gelenkseitiger Positionsmessung. Zukünftig soll das Regelungsverfahren dahingehend erweitert werden, dass neben der posenabhängigen Trägheit auch die nichtlineare Gelenksteifigkeit berücksichtigt wird. Es ist bekannt, dass die Gelenksteifigkeit in Abhängigkeit der Gelenktorsion variiert. Da diese über die gelenkseitige Positionssensorik indirekt im Betrieb erfasst wird, soll sie zukünftig ebenfalls einbezogen werden.

Patrick Mesmer, M. Sc., Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Alexander Verl, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW), Universität Stuttgart