Aufbau von Modellen zur Lageregelung von Industrierobotern

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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 5

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-06-12
Issue Year
1989
Authors
Lin, Shir-Kuan
Editor
Geiger, Manfred
Feldmann, Klaus
Publisher
Carl Hanser
ISBN
3-446-15546-5
Abstract

The present work should contribute to the development of models for the position control of industrial robots in three areas: kinematics, dynamics and position control through feedback decoupling. At the beginning, the aid for the kinematics and dynamics of industrial robots, namely the body-fixed coordinate system, was explained. The theory of the input axis coordinate system introduced in Chapter 2 shows that the normal input axis coordinate system has many advantages. It is advisable to use the normal input axis coordinate system for the kinematic and dynamic tasks of industrial robots. The methods of solving the kinematic problems were first presented in detail using the example of the Stanford arm. Chapter 3 also dealt with the kinematic singularity and the method for the treatment of the singularity. While the position singularity can be avoided in the design of the work space, the orientation singularity can occur at any point in the work space. Since the orientation accuracy plays a subordinate role in all manufacturing tasks, a certain component of the angular velocity of the end effector is neglected in the inversion of the Jacobian matrix in order to ensure the position accuracy. In the following chapter, the recursive Newton-Euler formulation for the dynamic inverse system was derived again on the basis of the normal input axis coordinate system. For this purpose, an algorithm was developed that is less computationally complex than that based on the original formulation [42]. The implementation of this algorithm was implemented on a microprocessor of the multi-microcomputer system MMC 216. The measurement results show that the microprocessor software built on the basis of this algorithm, which was developed for the dynamic inverse system of today's industrial robots, satisfies the scanning time criterion of the industrial robot. Compared to the conventional joint position control, the Cartesian position control has the advantage that the path deviation of the end effector is regulated directly in the Cartesian world coordinate system. This means that the accuracy of the movement of robots in the entire work area remains exclusive near kinematic singular points, the same. If a device for measuring the position and orientation of the end effector could be used in the future, annoying non-linearities and elasticities in the drive axles and gears would be avoided by the Cartesian position control. However, the difficulty lies in defining the orientation deviation. This problem was solved by introducing Euler's parameters as an orientation deviation and in Chapter 5 a model of the Cartesian position control was built. The theory could be confirmed by a simulation. The last chapter dealt with closed chain robots. First, a dynamic relationship was established between a robot with a closed chain and its corresponding cut open chain. Based on this approach, all models developed for robots with a simple chain can easily be extended to robots with closed chains. All models developed in the present work are of great importance if a very powerful position control is required when using industrial robots for manufacturing tasks.

Abstract

Die vorliegende Arbeite soll zur Entwicklung von Modellen zur Lageregelung von Industrierobotern in drei Bereichen beitragen: der Kinematik, der Dynamik und der Lageregelung durch die Rückführungsentkopplung. Eingangs wurde das Hilfsmittel zur Kinematik und Dynamik von Industrierobotern, nämlich das körperfeste Koordinatensystem, erläutert. Die Theorie des in Kapitel 2 eingeführten Eingangsachsen-Koordinatensystems zeigt, daß das normale Eingangsachsen-Koordinatensystem vielseitige Vorteile hat. Es empfiehlt sich, bei den kinematischen und dynamischen Aufgaben von Industrierobotern das normale Eingangsachsen-Koordinatensystem zu verwenden. Die Lösungsverfahren der kinematischen Aufgaben wurden zunächst am Beispiel des Stanford-Arms ausführlich vorgestellt. Zusätzlich beschäftigte sich Kapitel 3 mit der kinematischen Singularität und der Methode zur Behandlung der Singularität. Während die Positionssingularität bei dem Entwurf des Arbeitsraums vermieden werden kann, kann die Orientierungssingularität an irgendeinem Punkt im Arbeitsraum auftreten. Da die Orientierungsgenauigkeit bei allen Fertigungsaufgaben eine untergeordnete Rolle spielt, wird eine gewisse Komponente der Winkelgeschwindigkeit des Endeffektors bei der Inversion der Jacobimatrix vernachlässigt, um die Positionsgenauigkeit zu gewährleisten. Im darauffolgenden Kapitel wurde die rekursive Newton-Eulersche Formulierung zum dynamischen inversen System auf der Basis des normalen Eingangsachsen-Koordinatensystems erneut hergeleitet. Dazu wurde ein Algorithmus entwickelt, der weniger rechenaufwendig ist als der auf der originalen Formulierung [42] basierende. Die Implementierung dieses Algorithmus wurde an einem Mikroprozessor des Multi-Mikrocomputersystems MMC 216 realisiert. Die Meßergebnisse zeigen, daß die auf der Basis dieses Algorithmus aufgebaute Mikroprozessorensoftware, die für das dynamische inverse System von heutigen Industrierobotern entwickelt wurde, das Abtastzeitkriterium des Industrieroboters befriedigt. Gegenüber der konventionellen Gelenk-Lageregelung hat die Kartesische Lageregelung den Vorteil, daß die Bahnabweichung des Endeffektors unmittelbar im Kartesischen Weltkoordinatensystem geregelt wird. Damit bleibt die Genauigkeit der Bewegung von Robotern im ganzen Arbeitsraum, ausschließlich in der Nähe von kinematischen singulären Punkten, gleich. Wenn in der Zukunft eine Einrichtung zur Messung der Position und Orientierung des Endeffektors eingesetzt werden könnte, würden störende Nichtlinearitäten und Elastizitäten in den Antriebsachsen und Getrieben durch die Kartesische Lageregelung umgangen. Die Schwierigkeit liegt aber darin, die Orientierungsabweichung zu definieren. Durch die Einführung der Eulerschen Parameter als Orientierungsabweichung wurde dieses Problem gelöst und in Kapitel 5 ein Modell der Kartesischen Lageregelung aufgebaut. Die Theorie ließ sich durch eine Simulation bestätigen. Das letzte Kapitel beschäftigte sich mit Robotern mit geschlossenen Ketten. Zunächst wurde eine dynamische Beziehung zwischen einem Roboter mit einer geschlossenen Kette und seiner entsprechenden geschnittenen offenen Kette hergeleitet. Basierend auf diesem Ansatz können alle für Roboter mit einer einfachen Kette entwickelten Modelle einfach auf Roboter mit geschlossenen Ketten erweitert werden. Alle in der vorliegenden Arbeit entwickelte Modelle sind von großer Bedeutung, wenn eine sehr leistungsfähige Lageregelung beim Einsatz von Industrierobotern bei Fertigungsaufgaben erforderlich ist.

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Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
5
Notes
Nach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
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