Force-based cooperative manipulation of highly deformable materials

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der automatisierten Handhabung von formlabilen Materialien, wie z.B. Halbzeugen, Textilien, Leder und Folien. Trotz der vielseitigen Verwendung dieser Materialien in der industriellen Fertigung basiert deren Handhabung weitgehend auf manuellen bzw. teil-automatisierten Prozessen. Schwierigkeiten bei der Automatisierung stellen vor allem die geometrische Ausdehnung, die große Variantenvielfalt und die Formlabilität dar. Bekannte Automatisierungslösungen sind äußerst applikationsspezifisch. Im Unterschied dazu verfolgt diese Arbeit einen modularen Ansatz auf Basis konventionell erhältlicher Aktoren und Sensoren. Durch das gezielte Ausnutzen von Modellwissen und der Rückführung von Kraft- und Positionsinformation werden mehrere einfache Manipulatoren zum Lösen einer komplexen Handhabungsaufgabe miteinander koordiniert. Das Potential dieses flexiblen Ansatzes für die Handhabung formlabiler Materialien wird anhand eines prototypischen Handhabungssystems zur Ablage von z.B. Kohlefaser-Halbzeugen auf einem Formwerkzeug validiert. Zu Beginn dieser Arbeit wird ein mathematisches Modell zur Beschreibung der makroskopischen Eigenschaften der betrachteten formlabilen Materialien bei der Handhabung erstellt. Diese Eigenschaften werden im Sinne eines mechatronischen Systementwurfs bei der Konstruktion eines prototypischen Handhabungssystems berücksichtigt. Ein mathematisches Modell des Handhabungssystems in Kombination mit dem Materialmodell dient als Simulationsmodell für den Ablageprozess und bildet die Grundlage für den Entwurf diverser Regelungs- und Beobachterkonzepte. Für die messtechnische Erfassung der Materialbelastungen während der Handhabung werden die Manipulatoren mit Mehrachs-Kraftsensoren am Endeffektor ausgestattet. Für die Aufbereitung der Messsignale werden verschiedene Filter und modellbasierte Beobachterkonzepte untersucht. Der Einfluss der Signalaufbereitung sowie der spezifischen Charakteristika der formlabilen Materialien auf die Stabilität der kraftgeregelten Manipulatoren wird ausführlich diskutiert. Für die systematische Wahl der Zielparameter der Kraftregelung werden notwendige Bedingungen zur Erhaltung der Kontaktstabilität ermittelt. Auf Basis dieser Kriterien werden verschiedene Kraftregelungsstrategien anhand diverser Szenarien experimentell untersucht und validiert. Um ein faltenfreies Ablegen der formlabilen Materialien in bzw. auf komplexen Formen zu gewährleisten, wird ein Manipulator mit einem Drapierwerkzeug ausgestattet. Für die Aufbringung einer konstanten orthogonalen Kraft auf das Formwerkzeug wird ein Konzept zur gleichzeitigen und unabhängigen Regelung der tangentialen bzw. orthogonalen Nachgiebigkeit auf einem vorgegebenen Pfad vorgestellt. Mittels einer geeigneten Koordinatentransformation und einer exakten Eingangs-Ausgangslinearisierung wird das Originalsystem in zwei lineare, entkoppelte Teilsysteme tangential bzw. orthogonal aufgespalten. Die überlagerte Nachgiebigkeitsregelung ermöglicht die unabhängige Zielimpedanzvorgabe in den entsprechenden Teilsystemen. Sämtliche entwickelten Regelungskonzepte werden schließlich auf dem prototypischen Handhabungssystem kombiniert. Die Bewegung der einzelnen Manipulatoren wird auf Basis von Kraft- und Positionsinformation zur Laufzeit koordiniert und bei Störungen entsprechend adaptiert. Die kontrollierte Vorgabe der Materialzugspannung während der Handhabung ermöglicht eine sichere Aufnahme, die Beibehaltung der geometrischen Bestimmtheit während der Handhabung und ein faltenfreies Ablegen auf komplexen Formwerkzeugen. Die Anwendbarkeit des Konzepts wird experimentell durch Versuche am Prototypen validiert. Die erarbeiteten Konzepte sind übertragbar auf zahlreiche andere Fragestellungen, wie zum Beispiel dem automatisierten Aufkleben von Folien und der Handhabung von Textilien.

This work is concerned with the automated manipulation of highly deformable materials, e. g., fabrics, textiles, leather, and adhesive foils. Although these materials are used in many industries, its handling is still mostly done manually. This is mainly due to the materials' complex geometric properties, i. e., the large scale and high parts variance in combination To tackle the main challenges while providing maximum flexibility, this work proposes a force-based manipulation approach, where several manipulators cooperatively handle the material. For this purpose, suitable model-based control concepts are developed and investigated on a lab-scale demonstrator. The proposed demonstrator provides the basic functionality for a so-called preforming task, i. e., a scenario encountered during the manufacturing of fiber reinforced plastics where the deformable material is draped over a complex mold. To systematically incorporate the material properties into the demonstrator and the controller design, a tailored material model is developed for the considered materials. By combining the material model and a detailed mathematical model of the demonstrator, a simulation model of the overall preforming process is derived. The proposed process model serves as a basis for the design of various control and signal processing approaches. For the implementation of the force-based handing approach, this work investigates different signal processing strategies for a force sensor mounted on the manipulators' end-effector. The proposed strategies are evaluated in terms of performance and implementation costs. Moreover, the merits and limitations regarding force-control stability are discussed in detail. By considering the dynamics of the signal processing and the properties of the deformable material in the force-controlled closed-loop system, practical conditions to preserve coupled system stability of the interacting manipulators are derived. These conditions are utilized for the selection of the target dynamics in order to experimentally evaluate and compare different force-control implementations in view of the cooperative handling approach. To avoid bridging and curl ups during the lay-up of the deformable materials on a complex mold, an additional consolidation tool is utilized. The control task is to apply a constant consolidation force while the tool moves along the mold. For this purpose, this work proposes an approach to simultaneously but independently control the orthogonal and tangential force/compliance with respect to a given path. A path-following control concept known as transverse feedback linearization is combined with force control. The subordinate path following controller transforms the nonlinear dynamics into a linear system with decoupled transversal and tangential dynamics via a coordinate and feedback transformation. The outer control loop utilizes force control to obtain the desired target impedance in the respective transformed coordinates. At last, the developed methods and control concepts are combined in a force-based motion planning framework to solve the preforming task including the pick-up, the transportation, and the lay-up of a strip-like material on a complex mold. The proposed framework does not rely on preplanned position trajectories but calculates the movements of all manipulators on-line and can promptly react to external disturbances. Experimental results on the demonstrator underline the feasibility and performance of the presented approach for the lay-up of different highly deformable materials on a double-curvature mold.