B2 | Lage- und Kraftregelung
Das Teilprojekt stellt ein geschlossenes Regelungskonzept zur Lage- und Kraftregelung bereit, so dass hochdynamische Handhabungs- und flexible Montageaufgaben präzise ausgeführt werden können. Bei der Entwicklung des Konzepts sind besonders die physikalischen Eigenschaften von Parallelrobotern und die Anforderungen der Robotersteuerung und -programmierung zu berücksichtigen.
Ausgehend von den Anforderungen der Roboterprogrammierung mit dem in Teilprojekt B4 "Roboterprogrammierung" entwickelten Aktionsprimitivkonzept wurde in Teilprojekt B3 "Maschinennahe Steuerungsfunktionen" eine modulare Robotersteuerung entwickelt. Die Steuerung ist in drei Ebenen hierarchisch organisiert. Die oberste Schicht stellt Funktionen zur Verfügung, die das Einlesen von Aktionsprimitiven ermöglicht. Sie bildet die Schnittstelle zur Roboterprogrammierung. Wird ein neues Aktionsprimitiv empfangen, berechnet der Steuerungskern die Regelziele im Task-Frame, gibt sie an die entsprechenden Bewegungsmodule weiter und überwacht die Abbruchbedingungen, die vom Programmierer vorgegeben sind. Bewegungsmodule sind Bahnplanungs- bzw. Regelungsalgorithmen auf der zweiten Ebene der Steuerung, die im Task-Frame Solltrajektorien generieren, um das gewünschte Regelziel zu erreichen. In diesen eigenständigen Programmteilen können z. B. Bahnplanungsalgorithmen, Geschwindigkeitsplaner und, bei entsprechender Rückführung der Messsignale eines Kraft-Momenten-Sensors, Kraftregelungen implementiert werden. Die Trajektorien der Bewegungsmodule werden von der Steuerung aus dem Task-Frame in das Basiskoordinatensystem des Parallelroboters transformiert und der unterlagerten Antriebsregelung übergeben, die die dritte Ebene der Steuerung darstellt.
Unterlagerte Antriebsregelung
Die unterlagerte Antriebsregelung, als Blockschaltbild dargestellt in Abb.1, setzt die Solltrajektorie der Bewegungsmodule in tatsächliche Bewegungen des Endeffektors um und stellt eine Schnittstelle zum kartesischen Basiskoordinatensystem zur Verfügung. Sie ist als Kaskadenregelung ausgeführt. Dadurch kann ein Modell der Motorumrichter bei der Reglersynthese berücksichtigt werden. Der innere Geschwindigkeitsregler wird zur Laufzeit der aktuellen Roboterkonfiguration angepasst. Das dynamische Modell des Parallelroboters wird durch einen Computed-Torque-Algorithmus integriert, der geeignete Führungsgrößen in Gelenkkoordinaten generiert.
Abbildung 1: Unterlagerte Antriebsregelung
Bewegungsmodul zur Positionsplanung
Positionsregelaufgaben, die nicht offline planbar sind, werden von diesem Bewegungsmodul übernommen. Die für die Antriebsregelung generierte ruckbegrenzte Trajektorie ist in ausgewählten Freiheitsgraden synchronisierbar, um vorhersagbare Bahnen zu erzielen, siehen Abb. 2. Die resultierende Trajektorie ist zeitoptimal und an die Ausführung in diskreter Zeit angepasst.
Abbildung 2: Synchronisierte Trajektorie in drei Freiheitsgraden
Bewegungsmodul zur Kraftregelung
Funktionen zur Kraftregelung, die die Durchführung von Montageaufgaben mit Parallelrobotern ermöglichen, sind in einem Bewegungsmodul (siehe Abb. 3) implementiert. In dieses Bewegungsmodul ist ein vereinfachtes Modell des Parallelroboters im Kontaktfall integriert. Im Zusammenspiel mit einem Kraftregler werden so ruckbegrenzte Trajektorien für die unterlagerte Antriebsregelung generiert. Die gemessenen externen Kräfte werden durch ein Sensormodul der Steuerung zur Verfügung gestellt und durch eine Beschleunigungskompensation korrigiert
Abbildung 3: Kraftregelungsmodul
Arbeitsraumerweiterung durch den Wechsel zwischen verschiedenen Struktur-Konfigurationen
Der Konfigurationswechsel zum Erschließen weiterer Arbeitsräume erfordert das Durchfahren von Singularitäten des inversen bzw. direkten kinematischen Problems. Erstere können durch die Regelung in Antriebskoordinaten durchfahren werden. Zum Passieren der Singularitäten zweiten Typs wird beim Roboter Triglide die Gravitation genutzt. Die Regelung erfolgt auf den Strom des Antriebs, um eine durch die Schwerkraft vorgegebene Bewegung zu erreichen. Abb. 4 zeigt den Aufbau des Roboters. Die Trajektorie von Motor 3 beim Konfigurationswechsel ist durch die Gravitation bestimmt.
Abbildung 4: Aufbau der räumlichen Struktur (TRIGLIDE)