PAPAS
Die zunehmende Integration von Mechanik, Sensorik, Aktorik zu mechatronischen Systemen und deren Steuerung und Regelung durch Software ermöglicht die Entwicklung neuer Handhabungssysteme, die schneller, genauer und intuitiver programmierbar sind. Voraussetzung dafür ist ein integrierter Systementwurfsprozess, der die Modellbildung, Simulation und Optimierung beinhaltet und alle Teildisziplinen der Mechatronik einschließt. Der integrierte Entwurfsprozess ermöglicht es, künftige Handhabungssysteme modular aufzubauen und damit Innovationen der Antriebs- und Peripheriehersteller schneller und effizienter in Systeme zu integrieren.
Ziel des Projektes PAPAS ist es, diese Entwurfstechnologien Herstellern des Maschinen- und Anlagenbaues sowie deren Komponentenherstellern zugänglich zu machen und basierend auf einem Plug-and-Play-Konzept modulare, industrietaugliche Leichtbauroboter für die Produktion von morgen zu realisieren.
Laufzeit | 2003-05-01 bis 2006-07-31 |
Projektpartner |
|
Anwendungsfelder | Industrierobotik |
Förderung |
Projektdetails
Heutige Industrieroboter (Stand: 2006) sind positionsgeregelte Handhabungsgeräte, die mit großer Präzision eine vorgegebene Bahn im Raum abfahren. Dadurch werden bei vielen Fertigungsaufgaben, die mit Hilfe des Roboters automatisiert werden sollen, hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Zuführung und Positionierung von Objekten gestellt. Einige Aufgaben, wie das Fügen eines Bolzens bei engen Passungen, lassen sich heute mit einem ausschließlich positionsgeregelten Roboter ohne Einsatz von Sensoren nur mit großem Aufwand realisieren.
Regelbare Nachgiebigkeit
Der Leichtbauroboter LBR 3 ist mit seiner integrierten Sensorik bestens für solche kniffligen Aufgaben geeignet. Jedes Gelenk ist mit antriebsseitigem Positionssensor sowie abtriebsseitigen Positions- und Momentensensoren ausgestattet. Der Roboter lässt sich damit positions-, geschwindigkeits- und momentengeregelt betreiben. Bahnen werden präzise, hochdynamisch und schwingungsfrei abgefahren; die Nachgiebigkeit, d.h. eine Kombination aus Position (Orientierung) und Kraft (Moment), kann an jeder Stelle der Trajektorie vorgegeben werden.
Nachgiebiger Produktionsassistent
Durch die Verknüpfung dieser neuen Robotergeneration mit der industrietauglichen PC-basierten KUKA-Robotersteuerung KR C entsteht ein ganz neuer Typus von Roboter: der RoboAssistant. Er ist dafür konzipiert, dass sich Mensch und Roboter den Arbeitsraum teilen können. Insbesondere kann der Roboter „gefühlvoll“ auf Berührungen über den gesamten Arm hinweg reagieren. Diese Fähigkeit lässt sich für eine neue, intuitive Form der Roboterprogrammierung, dem Programmieren durch Vormachen (PdV), nutzen.
Bildgestützes und kraftgeregeltes Fügen
Eine schnelle und zuverlässige Montage wird durch die geeignete Kombination von intelligenter Bildverarbeitung, geregelter Nachgiebigkeit und einer optimalen Roboterbahn erreicht. Die Bildverarbeitung liefert dabei als initiale Schätzung die globale Position der zu fügenden Teile. Über die Kraft-Momenten-Sensoren erhält man schnell und hoch auflösend lokale Informationen über die Objekte mit denen der Roboter in Kontakt ist.
Um eine möglichst erfolgversprechende Fügestrategie zu erhalten, wird eine Trajektorie geplant, die robust gegenüber Positionierfehlern ist. Dazu wird mittels Optimierung die Bahn ermittelt, bei der der akzeptierbare Fehler der initialen Schätzung maximal ist. Basierend auf der von der Bildverarbeitung erhaltenen geometrischen Beschreibung der Fügeteile werden die Reglerparameter automatisch bestimmt und direkt in die Roboterprogrammiersprache KRL integriert.
Schwerpunkte
Zur Erreichung des Projektziels arbeiten die am Projekt Beteiligten an folgenden Schwerpunkten:
Kommunikation
Das in PAPAS zu realisierende Kommunikationssystem muss viele Anforderungen aus den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen erfüllen. Auf der Protokollebene müssen z.B. Dienste aus dem Bereich der Feldbusse, aber auch administrative bzw. wartungstechnische Dienste realisiert werden.
Das PAPAS-Protokoll muss eine Synchronisation zwischen der zyklisch arbeitenden Steuerung und den ebenfalls zyklisch arbeitenden Antrieben, Sensoren und mechatronischen Systemen bieten. Von einem Interpolator werden in der Steuerung zyklisch – in gleich bleibenden, kurzen Zeitabständen – Sollwerte für jeden Antrieb errechnet. Jeder Antrieb folgt den zyklisch vom Interpolator gelieferten Sollwerten mittels einer eigenen Regelung. Auf diese Weise erfolgt sowohl die präzise Steuerung von Einzelantrieben als auch die exakte Interpolation mit beliebig vielen Antrieben. Die Zeitpunkte, zu denen die Istwerte erfasst werden, und die Zeitpunkte, zu denen die Sollwerte im Antrieb wirksam werden, sind für die präzise Koordination der Antriebe ebenso bedeutend wie die Genauigkeit der interpolierten Sollwerte und die Messgenauigkeit. Eine Maßpräzision von 1 Mikrometer entspricht bei einer Geschwindigkeit von 1 m/s z.B. einer Zeitpräzision von 1 Mikrosekunde. Die Anpassung der Antriebe, Sensoren/Aktoren an unterschiedliche Anwendungen und Steuerungen erfolgt typischerweise durch Parametrierung. Neben den im Betrieb auszutauschenden zyklischen Echtzeitdaten ist für den Austausch von Parametern und Diagnoseinformationen ein azyklisches aber sicheres Protokoll ausreichend.
Entwurfstechnologien für „Plug-and-Play“
Die neue Plug-and-Play-Antriebs- und Steuerungstechnik eröffnet für die Konzeption neuer Handhabungssysteme eine neue Größenordnung an Entwurfsfreiheiten und Variantenreichtum, weil sich neue Systemarchitekturen unter Verwendung vorhandener Antriebs- und Steuerungskomponenten leichter realisieren lassen. Hierzu sind insbesondere modellbasierte Steuerungs- und Regelungsverfahren unabdingbar um z.B. die Maschinendynamik zu verbessern, d.h. schneller, genauer und mit weniger Vibrationen eine Aufgabe durchzuführen. Die Plug-and-Play-Technik bietet hierfür das Potential dynamische Kenngrößen von Teilnehmern am Bus den Steuer- und Reglerrechnern bei der Anmeldung mitzuteilen.
Beispiele hierfür sind:
Masse, Schwerpunkt und Trägheitssensor eines Laser-Schweißgerätes oder einer Greifvorrichtung bezüglich des Anschlussflansches
Maximales und nominales Moment, sowie maximale Drehzahl eines elektrischen Motors
Kenndaten eines Laser-Entfernungssensors oder eines Kraft-Momentensensors bzgl. maximalem Messbereich und maximalem Messfehler
Entsprechende Steuer- und Regelalgorithmen nutzen diese Daten zur Verbesserung der Steuerung und der Regelgüte. Die traditionelle Vorgehensweise solche dynamischen Kenngrößen über Konfigurationsdateien zu definieren ist fehleranfälliger und erfordert bei jeder Änderung der Konfiguration einen deutlich höheren Aufwand.
Die flexible Konfigurierbarkeit mit Plug-and-Play erfordert, dass die verwendeten modellbasierten Steuer- und Regelungsverfahren einfach an die jeweilige Situation angepasst werden können. Im Projekt PAPAS werden deswegen Systemmodelle von Maschinen komponentenorientiert aufgebaut, da dann im Modell leicht Komponenten wie Getriebe, Motoren, Power-Module ausgetauscht werden können. Weiterhin werden optimierungsbasierte Entwurfsverfahren zur Verfügung gestellt um das Mehr an Entwurfsfreiheit der Plug-and-Play-Technik vollständig ausschöpfen und systemdynamisch beherrschen zu können. Das Ergebnis eines Entwurfs kann automatisiert auf die Steuer- und Reglerrechner geladen werden.
Neue Robotersysteme, Produktinnovationen, Anwendungen
Der erste Demonstrator auf Basis des bestehenden DLR-Leichtbauarms, im Folgenden »RoboWorker« genannt, soll bereits zu einer frühen Projektphase fertiggestellt werden. Er wird mit der KUKA-Steuerung betrieben und über ein KUKA-Programmierhandgerät bedient, um einer (industriell) anwendenden Person einen einfachen Zugang zu neuen Technologien (Leichtbau, Nachgiebigkeit, Impedanzregelung, Drehmomentregelung, kinematische Redundanz) zu verschaffen. Dabei bleibt die gewohnte Bedienumgebung erhalten. Die Kopplung der KUKA-Steuerung mit dem DLR-Leichtbauroboter soll auf Basis einer kartesischen Schnittstelle erfolgen, die zunächst unabhängig vom PAPAS-Protokoll implementiert wird. So wird die Möglichkeit geschaffen, bereits zu einer frühen Projektphase mit Anwendern und Systempartnern gleichermaßen Anwendungsszenarien für einen nachgiebigen Produktionsroboter zu erarbeiten. Die Anwendungen können z.B. aus dem Bereich der Mensch-Roboter-Interaktion und aus dem Bereich der Produktion oder der Montage (z.B. Fügeoperation) stammen.