Nachgiebigkeitsregelung eines Roboter mit Geschwindigkeitsgeregelten Linearachsen

Abstract

Um die Interaktion zwischen Robotern und Menschen zu ermöglichen, ist ein nachgiebiges Verhalten erforderlich. Darüber hinaus erfordern Montageaufgaben von Robotern, wie z.B. die sg. peg-in-hole Montage, eine Nachgiebigkeit des Endeffektors des Roboters, um Ungenauigkeiten zu kompensieren. Dies kann im kartesischen Raum idealerweise mit einer Impedanzregelung unter Verwendung von Kraft-Drehmoment-Sensoren erreicht werden. Die Verwendung dieser Sensoren kann jedoch zu Instabilitäten führen, die durch Rauschen und Verzögerung der Messsignale verursacht werden. Daher wird in dieser Arbeit eine Nachgiebigkeitsregelung implementiert, die diese Art von Sensoren nicht benötigt. Der Ansatz der Nachgiebigkeitsregelung unterliegt jedoch einer Einschränkung: Der nichtlineare Einfluss externer Kräfte auf die Fehlerdynamik führt zu Auslenkungen des Endeffektors in nicht kollinearen Richtungen. Ziel dieser Forschungsarbeit ist es zu zeigen, wie eine Nachgiebigkeitsregelung an dem Gesamtkörpersystem, bestehend auseinem Industrieroboter mit sieben Freiheitsgraden und zwei geschwindigkeitsgeregelten Linearachsen implementiert werden kann. Durch Einbeziehen der Linearachsen wird der Arbeitsraum des Roboters erweitert. Die Verwendung eines unterlagerten Geschwindigkeitsreglers für die Linearachsen erfordert keine Identifizierung und Kompensation der Reibung. Dies macht die Linearachsen jedoch nicht nachgiebig und erfordert ein Geschwindigkeitsreferenzsignal, um eine virtuelle Kopplung zwischen Linearachsen und Roboter zu ermöglichen. Daher wird das Stellgesetz des Reglers als Beschleunigung interpretiert und über die Zeit integriert. Als Erstes wird ein Regler im Arbeitsraum für das Gesamtkörpersystem entworfen, der eine Nachgiebigkeits- und Trajektorienfolgeregelung ermöglicht. Dieser Regler wird durch leichte Variation im Stellgesetz in eine Gravitationskompensation überführt, die eine freie Bewegung des Roboters und der Linearachsen im Raum ermöglicht. Da der Regler im Arbeitsraum sechs Freiheitsgrade definiert, wird ein Nullraumregler zur Stabilisierung benötigt. Es werden zwei verschiedene Nullraumregler entworfen: erstens ein Nachgiebigkeits-Regler, der eine vorgegebene konstante Gelenkraumkonfiguration stabilisiert, und zweitens ein Nullraumregler, der die Erhöhung der Manipulierbarkeit des Industrieroboters bewirkt. Das Regelungskonzept wird anhand von Simulationen validiert und am realen Aufbau angewendet. Die Nachgiebigkeits- und Trajektorienfolgeregelung erreicht mit beiden Nullraumreglern das erwartete Verhalten. Die Gravitationskompensation ermöglicht in der Praxis ein freies Verschieben des Roboters im Raum mit sanfter Nachführung der Linearachsen. Jedoch entsteht aufgrund von Unsicherheiten der Modellparameter, wie Massen und Schwerpunkte, ein leichter Drift der Gelenke. Da die Gravitationskompensation allerdings nur in Zusammenarbeit mit Menschen eingesetzt wird, ist dieser Drift tolerierbar.

Enabling interaction between robots and humans requires compliant robot behaviour. In addition, robot assembly tasks such as the peg-in-hole task, require compliance in the robot's end effector, to compensate for accuracy limitations. In Cartesian space, this can be achieved by impedance control, using force-torque sensors that are attached to the end effector. The use of force-torque sensors, however, can compromise the stability of the feedback control due to sensor noise and measurement delays. Therefore in this thesis, a compliance control is implemented, which works without this kind of sensor. Nonetheless, the compliance control approach faces a limitation: the nonlinear impact of external forces on the error dynamics leads to deflections of the end effector in non-collinear directions. The aim of this research is to demonstrate, how compliance control can be implemented on a whole-body system comprising a seven-degree of freedom industrial robot mounted on two velocity-controlled linear axes. The inclusion of these linear axes expands the robot's workspace. The use of a subsidiary velocity controller for the linear axes does not require an identification and compensation of friction. However, this makes the linear axes non-compliant and requires a velocity reference signal to enable virtual coupling between the linear axes and the robot. Therefore, the control output is interpreted as acceleration and integrated over time. In a first step, a task-space controller for the whole-body system is designed that allows compliance and trajectory-tracking control. Building upon this control law, a whole-body gravity compensation, enabling free movement of the robot and linear axis in space, is developed. Since task-space control stabilizes only six degrees of freedom, a null space controller becomes necessary. Two distinct null-space controllers are designed: one introduces compliance in the null space by stabilizing a constant desired joint-space configuration, while the other increases the manipulability of the industrial robot. The control concept is validated through simulations and subsequently applied to the experimental setup. Both null-space controllers prove to work effectively with the compliance and trajectory-tracking control. The gravity compensation enables smooth manual manipulation of the robot with the linear axes following the external force. Although a slight drift occurs due to uncertainties in model parameters such as masses and centres of gravity. Nevertheless, the gravity compensation is only used in collaboration with humans, where this drift is tolerable.