Verbesserung der Absolut- und Regelgenauigkeit des KUKA LBR iiwa 14 R820

Abstract

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, die Regel- und Absolutgenauigkeit des KUKA LBR iiwa 14 R820 zu verbessern. Dafür wird ein modellbasierter Ansatz mit elastischen Gelenken für den obigen Roboter gewählt, da die verbauten Harmonic-Drive-Getriebe eine signifikante Elastizität im Antriebsstrang darstellen. Im ersten Teil der Arbeit werden die im Modell enthaltenen Parameter identifiziert und das Ergebnis mit geeigneten Bewertungsmethoden validiert. Für die Identifikation und Validierung des Starrkörpermodells werden dabei optimale dynamische Trajektorien entworfen. Die darauf folgende Parameteridentifikation des Starrkörpermodells erfolgt hierbei in Form eines passenden heuristischen Optimierungsproblems. Bei der Validierung der Ergebnisse der Parameteridentifikation zeigt sich bei der Übereinstimmung der Drehmomentverläufe eine Verbesserung von näherungsweise 37% bezogen auf die nominellen Parameterwerte. Für die Identifikation der linearen Steifigkeitsparameter werden statische Konfigurationen gewählt. Dabei kommt ein Lasertracker und eine Lastmasse, welche die die Auslenkung der elastischen Achsen erhöht, zum Einsatz. Für die Identifikation werden die Abweichungen der translatorischen Endeffektorposition zwischen den Messdaten des Lasertrackers und der Robotersensoren minimiert. Für die Validierung wird dasselbe Prozedere wie für die Identifikation des Starrkörpersystems verwendet und dabei wird eine Verbesserung von etwa 2% aufgezeigt. Eine weitere Verbesserung der Regel- und Absolutgenauigkeit kann durch eine geeignete Wahl einer Regelungsstrategie erreicht werden. Dabei wird die standardmäßig verwendete singuläre Störregelung als Referenz mit einer passivitätsbasierten und elastisch strukturerhaltenden Regelung verglichen. Diesbezüglich wird erneut eine optimale dynamische Trajektorie entworfen und die Absolutgenauigkeit mithilfe des Lasertrackers erfasst. Für die Regelgüte zeigt sich, dass der passivitätsbasierte Regler mit dem identifizierten Parametersatz des Starrkörpermodells eine Verbesserung von 42% bezogen auf den Referenzregler erreicht. Bei der Absolutgenauigkeit zeigt sich, dass diese Regelungsstrategie eine Absolutgenauigkeit von 0.3948 mm erreicht. Der passivitätsbasierte Regler mit dem identifizierten Parametersatz liefert damit die besten Ergebnisse für die Regel- und Absolutgenauigkeit. Die Gesamtheit der durchgeführten Tätigkeiten führen zu einer Verbesserung der Regelund Absolutgenauigkeit des KUKA LBR iiwa 14 R820. Die entwickelten Algorithmen für die Trajektorienplanung und Parameteridentifikation, die Bewertungsmethoden sowie die entwickelten Software-Werkzeuge für die Auswertung der Messdaten können für weiterführende Arbeiten sowie Untersuchungen an anderen Robotern verwendet werden.

The aim of this work is to improve the control and absolute accuracy of the KUKA LBR iiwa 14 R820. For this purpose, a model-based approach with elastic joints is chosen for the above robot, as the installed harmonic drive gears represent a significant elasticity in the drive train. In the first part of the thesis, the parameters contained in the model are identified and the result is validated using suitable evaluation methods. Optimal dynamic trajectories are designed for the identification and validation of the rigid body model. The following parameter identification of the rigid body model is carried out in the form of a suitable heuristic optimization problem. The validation of the results of the parameter identification shows an approximate improvement of 37% in the matching of the torque curves in relation to the nominal parameter values. Static configurations are selected to identify the linear stiffness parameters. A laser tracker and a load mass, which increases the deflection of the elastic axes, are used. For the identification, the deviations of the translational end effector position between the measurement data of the laser tracker and the robot sensors are minimized. For the validation, the same procedure is used as for the identification of the rigid body system and an improvement of about 2% is shown. A further improvement in control and absolute accuracy can be achieved by selecting a suitable control strategy. The singular perturbation control used by default and as a reference is compared with a passivity based and elastic structure preserving control. In this respect, an optimal dynamic trajectory is again designed and the absolute accuracy is recorded using the laser tracker. For the control accuracy, it is shown that the passivity based controller with the identified parameter set of the rigid body model achieves an improvement of 42% in relation to the reference controller. The absolute accuracy shows that this control strategy achieves an absolute accuracy of 0.3948 mm. The passivity based controller with the identified parameter set therefore delivers the best results for control and absolute accuracy. All of the activities carried out lead to an improvement in the control and absolute accuracy of the KUKA LBR iiwa 14 R820. The algorithms developed for trajectory planning and parameter identification, the evaluation methods and the software tools developed for evaluating the measurement data can be used for further work and investigations on other robots.