Elasokinematisches Robotermodell

Fehlerursachen, wie fertigungs- oder montagebedingte Toleranzen, die endliche Steifigkeit im Antriebstrang, die Durchbiegung von Robotergliedern oder nichtlineare Einflüsse des Gewichtsausgleichs, verringern die Positioniergenauigkeit von Industrierobotern. Daher werden Industrieroboter zumeist manuell eingelernt. Dieser manuelle Aufwand ist kostspielig und zeitintensiv. Außerdem ist die Flexibilität eingeschränkt. Soll ein anderes Programm abgefahren werden, so muss das aufwändige Teachen wiederholt werden. Eine bessere Alternative stellt die Verwendung von offline erstellten Roboterprogrammen dar. Solche können jedoch nur genutzt werden, wenn die eingangs genannten Fehlerquellen kompensiert sind. Eine Möglichkeit bietet die Verwendung zusätzlicher Sensorik, wie z.B. gelenkseitigen Winkelgebern. Neben zusätzlichen Investitionskosten ist hier auch die Stabilität der Regelungskaskade eine Herausforderung. Eine Alternative stellt die elastokinematische Kalibrierung von Industrierobotern dar, die im Folgenden beschrieben wird.

Kalibrierverfahren

Klassischerweise erfolgt die Lageregelung von Industrierobotern mittels Motorencoder. Damit ist die Bandbreite erhöht, der Roboter kann dynamischer verfahren. Ursache hierfür ist, dass der dynamische Einfluss des Getriebes gering ist. Die Nichtberücksichtigung ist aber auch gleichzeitig ein Nachteil, da Nachgiebigkeiten im Getriebe nicht von der Lageregelung berücksichtigt werden können. Dieser resultierende Fehler zwischen Motor- und Gelenkwinkel ist abhängig von der anliegenden Last. Diese ist in der Regel unbekannt, da die meisten Roboterhersteller keine Auskunft über die Massen und Schwerpunkte liefern. Ein weiterer erschwerender Punkt ist der Gewichtsausgleichsmechanismus der als mechanische oder hydraulische Feder zwischen dem Roboterkarussell und -Schwinge realisiert ist. Um nun die Massenverteilung sowie die physikalischen Parameter des Ausgleichsystems zu bestimmen, wurde ein einfach anzuwendendes numerisches Identifikationsverfahren entwickelt, bei dem lediglich Motorwinkel und -ströme benötigt werden.

In einem zweiten Schritt gilt es nun, die Verformung des Antrieb-strangs unter Last zu bestimmen. Hersteller wie Nabtesco oder Wittenstein bieten vermessene Getriebe an. Untersuchungen an einem Kuka KR210-2 ergaben jedoch, dass neben Getriebenachgiebigkeiten auch der nichtlineare Einfluss des Gewichtsausgleichs und nichtlineare Gelenkreibung zu einem erhöhten Positionierfehler führen, weshalb vermessene Getriebe allein nicht ausreichen. Entsprechende Nachgiebigkeitskennlinien, wie in Abbildung 1 illustriert, konnten mit gelenkseitigen Encodern gemessen werden. Dabei fällt auf, dass die Torsion zwischen An- und Abtrieb veränderlich ist und eine starke Abhängigkeit vom zweiten Gelenkwinkel aufweist. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein neuartiges mathematisches Modell entwickelt, welches die positionsabhängigen Nichtlinearitäten berücksichtigt.

Die Identifikation dieses Modells erfolgte hier mit gelenkseitigen Encodern. Jedoch verfügen nur wenige am Markt verfügbare Industrieroboter-Serien über diese zusätzliche Sensorik. Aus diesem Grund wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem der Roboter einmalig mit einem Lasertracker vermessen wird. Mit freundlicher Unterstützung der Faro Europe GmbH konnte ein automatisiertes Programm entwickelt werden, das den Faro Lasertracker Vantage E6 mittels der Messsoftware Faro BuildIT Metrology ansteuert und die Position des Roboters hochpräzise messen kann (Abbildung 2). Durch numerische Optimierung kann nun die Identifikation des Nachgiebigkeitsmodells auch ohne zusätzliche gelenkseitige Sensorik erfolgen.

Ergebnisse

Im Stand der Wissenschaft wird die Nachgiebigkeit meist als lineare Funktion zwischen Torsion und anliegender Last angenommen. Allerdings zeigen die Untersuchungen (Abbildung 1), dass die Nachgiebigkeit aufgrund des Gewichtsausgleichs und ortsabhängiger Gelenkreibung stark nichtlinear ist. Daher weist das neuartige Kalibrierverfahren eine Verbesserung von 23,1 Prozent im Vergleich zur konventionellen linearen Torsionsbeschreibung auf. Die mittlere Positioniergenauigkeit konnte von 216 auf 177µm reduziert werden. Zudem fällt auf, dass die reine kinematische Kalibrierung, also die Korrektur der Längen- und Winkelversätze, einen mittleren Fehler von 394µm aufweist, weshalb hier das neue Verfahren eine Verbesserung von 54,9 Prozent zeigt (Abbildung 3). Eine weitere Erkenntnis ist, dass die statische Modellgenauigkeit sogar um 13,2 Prozent besser ist als bei der Verwendung der gelenkseitigen Sensoren, da das Modell Strukturelastizitäten mit abbilden kann.

Fazit

Im Zeitalter der produktionstechnischen Individualisierung gewinnt die Anpassungsfähigkeit von Prozessen an Bedeutung. Jedoch können kostengünstige Industrieroboter dem oft nicht gerecht werden, da die Positioniergenauigkeit selbst bei kinematischer Kalibrierung unzureichend ist. Das entwickelte elastokinematische Kalibrierverfahren weist dabei eine große Verbesserung im Vergleich zum Stand der Forschung auf. Außerdem wird keine zusätzliche stationäre Sensorik, wie z.B. gelenkseitige Winkelgeber, benötigt; es ist lediglich eine einmalige Einmessung mittels Lasertracker notwendig. Die Korrektur der Nachgiebigkeit kann mithilfe eines numerisch günstigen Vorsteuerkonzepts vorgenommen werden. Die entwickelte Methodik soll dazu beitragen, dass vermehrt offline programmierte Roboterprogramme angewendet werden können und diese nicht manuell angepasst werden müssen. Künftige Forschungsschwerpunkte sind die Übertragung der Erkenntnisse auf die dynamische Genauigkeit, also die Bahntreue. Außerdem soll erforscht werden, inwiefern thermale Einflüsse kompensiert werden können, da Fertigungsstraßen häufig nicht klimatisiert sind.