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.
Inhaltsverzeichnis
1. Grundlagen der Robotersteuerung
1.1 Steuerung
1.2 Reglung
1.3 Positions-/Lageregelung
1.4 Kraftregelung
1.5 Nullkraftregelung
2. Passive Nachgiebigkeit
3. Hybridsteuerung
3.1 unterlagerte Kartesische Regelung
3.2 parallele Kraft-/Positionskontrolle
3.3 Hybridregelung
4. Beispiel für eine Hybridregelung
4.1 Sensordatenfilterung
4.2 Regelungsparameter
4.3 Bewegungszerlegung
4.4 Realisierung
4.4.1 Algorithmus 1
4.4.2 Algorithmus 2
4.4.3 Algorithmus 3
4.5 Vergleich der Messwerte
5. Weiteres Beispiel für eine Hybridregelung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, die hybride Kraft- und Positionsregelung in der Robotik einzuführen, bei der die Kontrolle von Kraft und Position simultan erfolgt. Die Forschungsfrage beleuchtet dabei, wie verschiedene Regelungsansätze kombiniert werden können, um eine präzise Steuerung in komplexen und variablen Umgebungen zu ermöglichen.
- Grundlegende Konzepte der Robotersteuerung (Steuerung vs. Regelung)
- Methoden der aktiven Kraft- und Positionsregelung
- Lösungsansätze für die Herausforderungen der Sensordatenverarbeitung und Bewegungsführung
- Vergleich von Algorithmen zur Implementierung hybrider Regelungen an Industrierobotern
- Ansätze zur Multi-Sensor-basierten Umgebungserkennung
Auszug aus dem Buch
4.1 Sensordatenfilterung
Ein erstes Problem bei der Implementierung stellte hier die Filterung der Sensordaten dar. Hinter dem Greifer ist ein Kraft-Momenten-Sensor montiert. Die Daten die dieser liefert sind allerdings stark verrauscht. „Da die Zielkraftabweichung mindestens so groß ist wie das Rauschintervall der zur Verfügung stehenden Sensorwerte“ ist die „Sensordatenverarbeitung einer der wichtigsten Teile einer erfolgreichen Regelungsimplementierung“ (/03/).
Das Problem ist hier nicht unbedingt die Filterung der Daten an sich - gute Filteralgorithmen sind bekannt und in der Steuerung des verwendeten Roboters auch bereits implementiert - sondern die Geschwindigkeit mit der diese gefiltert werden müssen.
Eine gute Filterung benötigt leider mehr Zeit als es hier für den Anwendungsfall akzeptabel ist. Besonders bei der Bearbeitung von teuren Werkstücken oder bei Humanoiden Roboter die in Interaktion mit Menschen treten ist bei zu hohen Kräften eine möglichst schelle Korrektur unbedingt nötig um zerstörte Werkstücke oder Verletzungen bei Menschen (zu fester „Händedruck“, etc.) zu vermeiden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Grundlagen der Robotersteuerung: Einführung in die elementaren Begriffe der Steuerungs- und Regelungstechnik sowie Erläuterung der Positions-, Kraft- und Nullkraftregelung.
2. Passive Nachgiebigkeit: Untersuchung einer mechanisch einfachen Methode zur "Feinfühligkeit" mittels gefederter Elemente am Roboter.
3. Hybridsteuerung: Theoretische Darstellung der Kombination von Kraft- und Positionsregelkreisen, unterteilt in verschiedene Kopplungsmodelle.
4. Beispiel für eine Hybridregelung: Detaillierte Analyse eines Praxisprojekts zur Implementierung von drei verschiedenen Regelungsalgorithmen an einem Industrieroboter.
5. Weiteres Beispiel für eine Hybridregelung: Vorstellung eines fortgeschrittenen Ansatzes unter Nutzung von Multi-Sensorsystemen zur autonomen Umgebungserkennung.
Schlüsselwörter
Hybride Kraft- und Positionsregelung, Robotersteuerung, Sensorik, Regelungstechnik, PID-Regler, Industrieroboter, Signalfilterung, Bewegungszerlegung, Kraft-Momenten-Sensor, Kollisionsvermeidung, Lageregelung, Automatisierung, Echtzeit-Korrektur, Human-Robot-Interaction.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Konzepte und Implementierungsmöglichkeiten der hybriden Kraft- und Positionsregelung, um Roboter befähigt zu machen, sowohl präzise Bewegungen auszuführen als auch aktiv auf Krafteinwirkungen aus der Umgebung zu reagieren.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Arbeit deckt die theoretischen Grundlagen der Steuerung und Regelung, mechanische Ansätze wie die passive Nachgiebigkeit sowie komplexe aktive Hybridregelungen und deren praktische Implementierung an Industrierobotern ab.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es aufzuzeigen, wie durch die Kombination von Positions- und Kraftregelkreisen eine Steuerung realisiert werden kann, die sowohl sicher als auch flexibel genug für den Umgang mit unbekannten Oberflächen oder physischen Interaktionen ist.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es erfolgt eine Literaturanalyse grundlegender Regelungsprinzipien sowie ein vergleichender, experimenteller Ansatz, bei dem verschiedene Algorithmen für die Hybridregelung programmiert, auf ihre Performance getestet und anhand ihrer Messwerte evaluiert werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden nach der theoretischen Einleitung konkrete Lösungsansätze wie die unterlagerte kartesische Regelung und die parallele Kraft-/Positionskontrolle erläutert. Zudem wird die praktische Umsetzung mit Schwerpunkten auf Sensordatenfilterung, Parameterbestimmung und Bewegungszerlegung an einem Fallbeispiel (RX130 Roboter) detailliert beschrieben.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind die hybride Regelung, Industrieroboter, Kraft-Momenten-Sensorik, Signalfilterung und Regelungsalgorithmen zur Handhabung von Krafteinwirkungen.
Warum ist die rein kraftbasierte Regelung für viele Aufgaben unzureichend?
Eine reine Kraftregelung kann Bewegungen tangential zur Oberfläche nicht kontrollieren und führt im freien Raum zu unkontrollierter Beschleunigung, was das Risiko von Kollisionen und Beschädigungen am Roboter massiv erhöht.
Welche Rolle spielt die Bewegungszerlegung in der Praxis?
Die Bewegungszerlegung ist notwendig, da viele Industrieroboter während der Laufzeit keine dynamische Kurskorrektur unterstützen. Durch die Unterteilung des Weges in Intervalle kann jedoch rechtzeitig auf neue Sensorwerte reagiert werden, um einen quasi-flüssigen Bewegungsablauf zu gewährleisten.
Was ist das Ergebnis des Algorithmen-Vergleichs im Praxisbeispiel?
Der dritte Algorithmus erzielte die besten Ergebnisse, da er schnell sein Regelungsziel erreicht und dabei die geringste Kraftabweichung aufweist, was ihn für den Praxiseinsatz am geeignetsten macht.
Wie unterscheidet sich der Multi-Sensor-Ansatz in Kapitel 5?
Dieser Ansatz verzichtet auf externe Lagevorgaben und nutzt die Kombination von Kraft-Momenten-Sensoren und Kamera-Daten, um die Umgebung eigenständig zu erkennen und den Roboterarm entsprechend über die Oberfläche zu führen.
- Arbeit zitieren
- Thomas Morper (Autor:in), 2004, Hybride Kraft- und Positionsregelung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/129746
