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Analyse durch flexible Mehrkörpersystem-Modellierung

Der Kommissionierroboter wurde während des Vorhabens als flexibles Mehrkörpersystem (FMKS) modelliert, welches neben großen Starrkörperbewegungen durch die angetriebenen Achsen auch elastische Verformungen berücksichtigt. Sehr exakte Lasermessungen haben ergeben, dass als Hauptursachen für Ungenauigkeiten am TCP insbesondere die Verkippung der Roboterplattform sowie die Durchbiegung der teleskopischen Schienenstruktur verantwortlich sind. Beide Effekte werden durch die Ausfahrlänge der Teleskopschiene beeinflusst, weil das auf den Roboter wirkende Moment mit zunehmender Ausfahrlänge größer wird und so stärkere Verformungen hervorruft. Im Gegensatz zu einer reinen Black-Box Modellierung erlaubt der FMKS-Ansatz eine gewisse Modularität und Anpassbarkeit, wenn sich Modellparameter ändern sollten.

Datengetriebener Ansatz optimiert Kommissionierrobter

Zur vorläufigen Parametrierung und Validierung des Modells wurde ein datengetriebener Ansatz verfolgt. Hochfrequente Kameraaufnahmen des Roboters wurden dabei erstellt. Durch einen in Matlab implementierten Point-Tracking-Algorithmus konnten die Verformungskoordinaten des Roboters aus den Kamerabildern ermittelt werden. Die Daten wurden dann genutzt, um das flexible Mehrkörpersystem mithilfe von Optimierungsverfahren an die beobachtete Verformung anzunähern. Das flexible Mehrkörpersystem bildet trotz einer relativ geringen Zahl an Freiheitsgraden hinreichend genau das Verhalten des realen Systems ab. Das daraus resultierende Modell wurde schließlich über die Co-Simulations-Schnittstelle Functional Mock Up-Interface (FMI) mit der virtuellen Inbetriebnahmeplattform ISG virtuos verknüpft. So wird es möglich, einen Digitalen Zwilling mit elastischem Verhalten abzuleiten. Dieser wird ebenfalls für modellbasierte Regelungskonzepte eingesetzt, um in Echtzeit elastische TCP-Abweichungen zu kompensieren.

Alles steht und fällt mit dem Robotersteuerungskonzept

Die so modellierte, flexible Roboterkinematik wird aber auch zusätzlich für die Antriebsregelung der Maschine verwendet. Die generierten Systemmodelle werden dabei genutzt, um die Maschinendynamik durch eine modellbasierte Regelung optimieren zu können. Für eine echtzeitfähige Berechnung der modellbasierten Regelung auf der Robotersteuerung braucht es ein Modell mit möglichst niedriger Ordnung. Auf Basis dieses Modells wird dann eine Vorsteuerung für die Kaskadenregelung entwickelt. Diese sogenannte 2-Freiheitsgrade-Regelung soll die Leistungsfähigkeit des Roboters maximieren und gleichzeitig die Schwingungsanfälligkeit minimieren. Zusätzlich wird die aus der Nachgiebigkeit resultierende Verkippung des TCP ebenfalls bei der Regelung berücksichtigt und kompensiert. Dafür wird ein Algorithmus entwickelt, der die Positionsabweichung am TCP berechnet. Das Ergebnis wird anschließend an die Regelung zurückgeführt und durch den Antriebsregler kompensiert. Die Dynamik und die Genauigkeit des Systems können mit den Modellen gesteigert werden, um den Herausforderungen aus Verkippung und Schwingungsproblemen aufgrund des Leichtbaus effektiv entgegenzuwirken.

So wird die Zukunft des Leichtbau-Kommissionierroboters

Die entwickelten Methoden werden dann mit dem Kommissionierroboter erprobt. Dabei muss das Modell einerseits hinreichend genau und andererseits echtzeitfähig sein, um in die Steuerung implementiert werden zu können. Eine experimentelle Validierung soll dann außerdem zeigen, dass der Digitale Zwilling mit erweitertem dynamischen Verhalten dazu beitragen kann, die Schwingungsanfälligkeit des Roboters zu minimieren und die Positioniergenauigkeit zu verbessern.

Wir danken dem Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg für die finanzielle Unterstützung des Projekts (BW1_4140).

* Valentin Leipe und Lukas Steinle (Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen an der Universität Stuttgart). Jonas Scheid und Marcel Hagedorn (beide robomotion GmbH). Philipp Rodegast und Joerg Fehr (Institut für Technische und Numerische Mechanik), und Denis Pfeifer (Institut für Technische und Numerische Mechanik und auch ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH).

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