Forschung

Daniel Schilling,

Modellbasierte Regelung

Eine Forschungsgruppe des Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart arbeitet an Modellen, die bei der Berechnung von Robotersteuerungsabläufen und -trajektorien auch die Objektdynamik berücksichtigt.

Im Praxistest kann der Roboterarm die Objektdynamik des transportierten Kabels durch ein vorausberechnetes Modell exakt ausregeln. © Universität Stuttgart, ISW

Eine Kernherausforderung für Roboter liegt in nicht reproduzierbaren Prozessen, beispielsweise wenn Bauteile in nicht definierter Lage bereitgestellt werden oder Prozessschritte nicht nach einem fest definierten Ablauf vorgenommen werden können.

Wo der Mensch über sein erworbenes Prozesswissen die Abweichung feststellen und ausgleichen kann, muss dem Roboter ein Modell des Prozesses sowie eine geeignete Sensorik bereitgestellt werden, auf deren Grundlage der Steuerungsablauf und die Trajektorie geplant und falls erforderlich angepasst werden können. Ob ein Modell für eine spezifische Handhabungsaufgabe benötigt wird, hängt von den Anforderungen und Randbedingungen der jeweiligen Aufgabe ab. Am Beispiel eines Pick-and-Place-Szenarios werden nachfolgend verschiedene Möglichkeiten mit den dazugehörigen Modellen aufgezählt.

Liegen Bauteile nicht magaziniert, genauer gesagt nicht mit bekannter Anfangsposition vor, so muss diese Information für die Robotersteuerung bereitgestellt werden. Dazu werden Kinematikmodelle verwendet, die den Zusammenhang zwischen Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen beschreiben. Sind diese Zusammenhänge für ein Bauteil bekannt, kann die Frage, wann der Roboterendeffektor wo und in welcher Pose positioniert sein soll, leicht beantwortet und die Trajektorie entsprechend geplant werden. Ein klassisches industrielles Beispiel dafür sind Bauteile auf einem Fließband, die ungeordnet bereitgestellt werden. Soll ein Roboter diese greifen, so muss deren Position erfasst werden. Ist das Fließband in Bewegung, so kann die Bandgeschwindigkeit in der Greifpunktberechnung berücksichtigt werden, um die Zeit für die Ausführung der Bewegung zu berücksichtigen.

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Problematische Eigendynamik

Wenn Dynamikanforderungen des Bauteils zu berücksichtigen sind, ist ein Dynamikmodell notwendig, das auch die einwirkenden Kräfte einberechnet. Bei der Handhabung von geometrisch großen flachen Bauteilen wie Blechen kann es beispielsweise dazu kommen, dass durch die Roboterbewegung eine Eigenschwingung angeregt wird. Dadurch erhöht sich die Kraft auf den Greifer, die im schlimmsten Falle die Greifkraft übersteigt und damit zu einem Objektverlust führt. Deshalb ist es wichtig, mithilfe der modellbasierten Regelung vorab eine geeignete Trajektorie zu berechnen.

Die Schwierigkeit liegt bei Dynamikmodellen oft in der physikalischen Modellbildung, die selbst bei vermeintlich einfachen Aufgaben schnell komplex und aufwändig wird. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich in der Bestimmung der für das Modell relevanten Parameter. Sind diese zu komplex zu berechnen, werden womöglich Echtzeitanforderungen des Prozesses verletzt. Des Weiteren sind solche Parameter teilweise nicht identifizierbar, weshalb eine modellbasierte Regelung dann nicht eingesetzt werden kann.

Simulierte Objektdynamik

Nicht nur bei großen Blechen ist es von Vorteil, die Dynamik des Bauteils zu betrachten, sondern ebenfalls bei der Handhabung von deformierbaren Objekten, wie Kabeln oder Schläuchen. Diese Objekte zeichnen sich dadurch aus, dass oft schon ihr Eigengewicht ausreicht, um nicht nur ihre Position, sondern auch ihre Form zu ändern. Da eine Deformation infolge einer Kraft auftritt, kann zur Berechnung der Form des Objekts ein Dynamikmodell des Verformungsverhaltens eingesetzt werden.

Das ISW hat einen Ansatz entwickelt, der das Deformationsverhalten in der Trajektorienplanung des Roboters berücksichtigt. Das manipulierte Objekt wird dafür als Mehrkörpersystem modelliert, welches aus einzelnen Starrkörpern gekoppelt über Gelenke mit Feder- und Dämpfereigenschaften besteht. Die entstehende Bewegung unter Krafteinwirkung des Roboters kann dann mithilfe einer Mehrkörpersimulation berechnet werden, wobei neben dem manipulierten Objekt der Roboter in der Simulation abgebildet wird. Das ISW setzt hierbei auf die Open-Source Software DART (Dynamics Animation and Robotics Toolbox) zur Lösung der Bewegungsgleichung.

Im Testaufbau beschreibt das transportierte Kabel einen exakten Kreis (blau); ohne die modellbasierte Regelung schwingt das Kabel unkontrolliert (rot). © Universität Stuttgart, ISW

Die simulierte Objektdynamik sagt vorher, welche Bewegung des Objektes aus einer durch den Roboter aufgebrachten Kraft resultiert. Um einer vorgegebenen Bewegung zu folgen, lässt sich nun durch die Umkehrung des Gleichungssystems direkt auf die notwendige Kraft des Roboters schließen und ein Regelgesetz formulieren, das die invertierte Lösung des Simulationsmodells zur Berechnung der notwendigen Stellgröße auf der Roboterseite nutzt. So ist es möglich, vordefinierten Trajektorien unter Berücksichtigung des Deformationsverhaltens des Objekts zu folgen.

Validiert wurde der Ansatz am ISW mit dem Roboter Panda vom Hersteller Franka Emika anhand einer Kreisbewegung. Zielstellung war es, ein deformierbares Kabel entlang einer Kreisbahn zu bewegen und hierbei die Objektdynamik so zu berücksichtigen, dass das lose Ende einen Kreis mit definiertem Durchmesser beschreibt. Während ohne die berücksichtigte Dynamik die Bahn des losen Endes sehr bald von der Zieltrajektorie divergiert, konnte durch die Berücksichtigung der Objektdynamik im Regelgesetz die Trajektorienvorgabe auf der Kreisbahn stabilisiert werden.

Dieses Beispiel zur Validierung des Ansatzes soll in zukünftigen Forschungsarbeiten auf industrielle Anwendung übertragen werden. Anwendungsgebiete liegen beispielsweise im Bereich der automatisierten Montage im Schaltschrank- oder Automobilbau. Hier herrscht heutzutage zwar bereits ein sehr hohes Maß an Automatisierung, die Verkabelung von Einzelkabeln und Kabelbäumen erfolgt jedoch noch weitgehend manuell.

Manuel Zürn; Markus Wnuk; Christoph Hinze; Dr.-Ing. Armin Lechler; Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl

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