Modular and distributed control and trajectory planning for reconfigurable handling systems

Abstract

Das Forschungsgebiet der modularen Robotik stellt den nächsten Evolutionsschritt der Robotik dar, dessen Ziel es ist, herkömmliche Ansätze des Roboterdesigns mittels standardisierter, wiederverwendbarer Module zu revolutionieren. Diese Module ermöglichen mittels flexibler Zusammensetzung die Erstellung einer großen Vielfalt an Roboterund Handhabungssystemen in verschiedensten Formen und mit einer großen Anzahl an Funktionalitäten. War die Architektur eines Manipulators früher ein limitierender Faktor, so ist sie heute eine weitere Variable im Entwurf des Systems. Angesichts moderner Anforderungen der Industrie bezüglich größerer Flexibilität aufgrund des erhöhten Wunsches für Individualität und der damit immer kleinerer werdenden Produktionsmengen, stellt die Modularisierung einen Ansatz dar, der die Lösung dieses Problems sehr zu vereinfachen mag. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode ermöglicht schnelle Wechsel der Roboterarchitektur durch den Einsatz einer modular aufgebauten Steuerung. Hierfür wird der internationale Standard IEC 61499 verwendet, welcher ebenso eine komplett verteilte Steuerung ermöglicht. Ein verteilter Ansatz für inverse Kinematik und Dynamik wird mittels der erstellten Funktionsblöcke realisiert, um eine vorgegebene Geschwindigkeit und Position des Endeffektors zu erreichen. Zu guter Letzt werden die präsentierten Methoden noch mittels zwei Robotermodellen in einer Simulation überprüft. Die präsentierte Methode vereinfacht somit wesentlich den Entwurfsprozess der Steuerungsapplikation und macht somit die möglichen Mehrkosten, wenn pro Achse ein separater Controller verwendet wird, wieder wett. Die Anwendung an bereits existierenden, seriellen Robotermodellen wird in dieser Arbeit gezeigt. Letztlich spiegelt dieser Ansatz einen Aspekt der Industrie 4.0 Entwicklung wieder, da er auf eine Verbesserung der Adaptierbarkeit, Wiederverwendbarkeit und Einsatzflexibilität industrieller Handhabungsmaschinen abzielt.

Modular robotics represents the next evolutionary step in robotics. It aims to revolutionize the classical approaches by defining a set of reusable standard modules. Through this modular approach it is possible to assemble a variety of robots with different shapes and functionalities. The architecture as the former limiting factor using monolithically designed robots can now be adapted to the requirements of the task. Facing the trend of an increasing demand for individuality leads to smaller lot sizes and away from mass production. Especially in large scale industry an increased demand on flexibility of robotic handling systems emerges. Through modularization, the task to adjust existing handling system can be simplified as well. The developed concept in this thesis aims to present an adaptable control that keeps pace with rapid changes in manipulators architecture. By equipping each link with its distinct computation unit, the whole trajectory tracking process can be distributed and the parameters can be locally stored, which reduces the manual configuration effort. For the implementation the standard IEC 61499 is applied, which enables the possibility to distribute the designed applications on multiple devices and to reuse already built parts using function blocks. A distributed approach for inverse kinematics and dynamics is applied using these function blocks in order to reach the desired position and achieve the desired end-effector velocity. Finally, the designed control method is verified by application to different robot models in a simulation environment. The developed method tremendously reduces the implementation effort of a robotic control system. It is designed to be parameterized easily and can therefore be applied to a huge range of serial handling systems. Building a control system with the function block library developed in this thesis can as well be done in a distributed manner. The advantage of a shortened implementation time may compensate higher hardware costs which may appear when equipping each link with its distinct controller. Furthermore, the modular control concept can be applied to already existing robotic structures as well, representing an alternative to the often commercial specialized controllers. The approach also contributes to aspects of the industry 4.0 development in the field of motion control, by aiming to improve versatility.