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 einfachstmögliche 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.

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

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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.

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: 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

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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.

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

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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.

1.4 Kraftregelung

Bei der Kraftregelung wird nicht die genaue Bewegung des Roboters von der Steuerung vorgegeben, sondern die Kraft mit der dieser auf seine Umgebung einwirkt. Eine Beschä-

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digung von Gegenständen kann bei dieser Steuerungsart ganz einfach dadurch verhindert werden, dass der Roboter automatisch angehalten wird oder eine Rückwärtsbewegung macht sobald seine Kraftsensoren einen Widerstand registrieren der über einem vorgegebenen Maximum liegt.

Allerdings ist es nicht möglich mit einem rein kraftgeregelten Roboter anspruchsvollere Bewegungsabläufe zu steuern. Ursache hierfür ist dass eine Kraftgeregelte Bewegung nur möglich ist wenn eine Bewegung senkrecht zu einer Oberfläche stattfindet - Bewegungen die tangential zu einer Oberfläche stattfinden sind über eine Kraftregelung nicht zu kontrollieren. Die Erklärung hierfür ist leicht verständlich: Nehmen wir an wir würden für einen Roboter, der sich in einem leeren Raum entlang einer einzigen Bewegungsrichtung bewegen soll, eine Kraftregelung für dessen Fahrbewegung implementieren und den Roboter dann anweisen mit einer Kraft von 20 Newton nach vorne zu fahren. Der Roboter würde zuerst beschleunigen um zu versuchen diese 20 Newton Krafteinwirkung an der entsprechenden Kraftmessdose zu erreichen.

Da im freien Raum aber nichts da ist was gegen diese Kraftmessdose drückt würde diese weiterhin 0 N zurückmelden und die Regelung des Roboters immer weiter beschleunigen um die geforderten 20N zu erreichen. Das ganze würde immer weitergehen und dazu führen dass der Roboter irgendwann am Ende des Raumes angelangt, dort mit hoher Geschwindigkeit gegen die Mauer stößt und sich dadurch mit hoher Wahrscheinlichkeit schwer beschädigt. Bei einer gleichzeitigen reinen Kraftregelung von mehreren Koordinatenachsen würde sich der Roboter einfach nur wild umherbewegen.

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