Turning a robot into a cobot

Abstract

Kollaborative Roboter (Cobots) sind ein immer wichtigerer Bestandteil heutiger Industrie. Da sie im Umfeld von Menschen agieren, müssen sie Kollisionen erkennen und Roboterbewegungen bei Gefahr selbstständig stoppen. Die dazu erforderlichen externen Kräfte werden zumeist auf Basis von Drehmomentsensoren in den Achsen gemessen. Dadiese Sensoren teuer sind und das Messprinzip zusätzlich die Steifigkeit des Roboters reduziert, sind alternative Ansätze Gegenstand aktueller Forschung.In dieser Arbeit wird der Leichtbauroboter Techsoft Robots TB6-R5 in einen kollaborativen Roboter transformiert, indem eine Kollisionserkennung entwickelt wird, die auf der Messung der Achstorsionen sowie der Motorströme beruht. Dafür werden zunächst mathematische Modelle erstellt, die die Torsionssteifigkeit, Reibung und den kinematischen Fehler der Robotergelenke beschreiben. Mithilfe eines Modells werden dann aus beiden Messungen separat die Gelenkmomente berechnet. Anschließend wird ein Beobachter (Generalized momentum observer) implementiert, der die externen Drehmomente jedes Gelenks unter Berücksichtigung der Roboterdynamik schätzt. Das finale Modell wird dann in eine bestehende Steuerungssoftware in TwinCAT auf einer Soft-SPS integriert.Die Ergebnisse belegen, dass eine zuverlässige und redundante Kollisionserkennungimplementiert ist, die den Roboter bei Überschreiten definierter Drehmomentgrenzwerte automatisch stoppt. Die geschätzten Drehmomentspitzen im Kollisionsfall sind für die ersten drei Achsen mit RMS-Fehlern zwischen 1.32 Nm und 6.24 Nm genau, während die letzten drei Roboterachsen mit RMS-Fehlern von bis zu 10.06 Nm zu hohe Werte für die Drehmomente liefern. Es wird gezeigt, dass der Roboter in der Lage ist, die inder ISO/TS 15066 definierten maximal zulässigen Kontaktkräfte einzuhalten, wobei die auftretenden Kräfte von den Gelenkgeschwindigkeiten und der jeweiligen Anwendung abhängen. Ungenauigkeiten in der Schätzung, die ohne externe Kräfte auftreten,beeinflussen die Sensitivität der Kollisionserkennung und sind auf Ungenauigkeiten der entwickelten Modelle zurückzuführen. Es lässt sich zeigen, dass diese mit höheren Geschwindigkeiten sowie komplexeren Trajektorien zunehmen und die Schätzung durch Achstorsion stärker von diesem Effekt betroffen ist.Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der entwickelte Ansatz eine kosteneffiziente Kollisionserkennung ermöglicht, die leicht auf anderen Robotern implementiert werden kann, da die benötigten Sensoren in der Regel vorhanden sind.

Cobots are becoming increasingly more important in today’s industry. These robot sare designed to work in human environments and therefore need to be able to detect external forces and react to those in order to ensure safety. In many cobots, these force measurements are based on joint torque sensors. Since this measuring principle is cost-intensive due to the sensors and reduces the stiffness of the manipulator, alternative approaches are topic of current research.In this thesis, the lightweight robot Techsoft Robots TB6-R5 is transformed into acobot by developing a collision detection that is based on measuring the joint torsional deformation as well as the motor currents. For that, the system is identified by devel-oping accurate models for torsional stiffness, friction effects and kinematic error. A mathematical model is derived that computes the current joint torques separately from both measuring principles. The generalized momentum observer is then implemented and extracts the external torques from the joint torques by considering the robot dynamics. The final model is integrated into an existing robot control software in TwinCAT that runs on a virtual PLC on a PC. Threshold torques are defined to stop the robot if these values are exceeded.The results show that a reliable and redundant collision detection is implemented that automatically stops any robot motion in case of a collision. The estimated peak torquesof the first three axes during a collision are accurate with RMS errors between 1.32 Nmand 6.24 Nm, where as the last three joints yield higher torques than the ones that a reactually applied with RMS errors of up to 10.06 Nm. It is shown that this robot is capable of complying with the defined standards, especially the maximum admissible contact forces defined in ISO/TS 15066, depending on the maximum angular joint velocities and the specific application. Inaccuracies in the torque estimation that arepresent without external torques, which are caused by uncertainties of the developedmodels, limit the sensitivity of the collision detection. These inaccuracies increase with higher joint velocities and more complex trajectories, where by the estimates from motorcurrents are more resistant to it compared to the estimates from joint torsion.In conclusion, this approach offers a cost-effective collision detection and can be implemented on other robots, since the required sensors are usually already available.