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Verbundprojekt KomoRob: Systemintegriertes Absolutpositionsmesssystem für Roboter

Forschungsziele

Robotik ist eine der Schlüsseltechnologien für die wirtschaftliche, marktorientierte und flexible Fertigung. Speziell im Werkzeug- und Formenbau stellen ständig steigende Ansprüche an die Produkte große Herausforderungen dar. Im Rahmen des Verbundprojektes KomoRob (Kognitionsorientierter modularer und autonomer Service-Roboter zur vor Ort Instandsetzung von Tiefzieh- und Spritzgusswerkzeugen in wechselnden Kontexten) soll ein autonomer Service-Roboter zur Vor-Ort-Instandsetzung von Tiefzieh- und Spritzgusswerkzeugen in wechselnden Kontexten entwickelt werden.

Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten im Teilprojekt A1 des Verbundprojektes KomoRob ist die Entwicklung eines systemintegrierten Absolutpositionsmesssystems zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit eines Industrieroboters. Beim Herstellen bzw. Regenerieren von Tiefzieh- und Spritzgusswerkzeugen liegt die aufzutragende Schichtdicke im Allgemeinen im Bereich von 0,1 - 0,5 mm. Die erzielbaren Absolutpositionsgenauigkeiten von gängigen Robotersystemen sind jedoch stark abhängig von den verbauten Armlängen, der sich ändernden Gesamtsteifigkeit des Systems in Abhängigkeit der Roboterkonfiguration und weiteren äußeren Einflussgrößen wie z. B. Traglast und Umgebungstemperatur. Die Erhöhung der Gesamtgenauigkeit des Systems (Antriebssysteme und Gelenke des Roboters) ist häufig mit einem erheblichen Mehraufwand und entsprechenden Kosten verbunden, die der Akzeptanz in der Industrie entgegenwirken. Ziel unserer Forschung ist es, durch die Integration einer leistungsfähigen Sensorik Modelle und Methodiken zu entwickeln, die in Kombination mit dem applizierten Sensornetzwerk eine Positionskorrektur ermöglichen. Dies soll ohne signifikante Eingriffe in die Auslegung und Fertigung kommerziell verfügbarer Roboter geschehen. Dabei wird im Detail untersucht, wie sich Effekte wie Getriebeelastizitäten, Verformungen der Gelenkkörper und nicht exakt bekannte kinematische Parameter auf die Absolutpositionsgenauigkeit auswirken.
Darüber hinaus wird untersucht, inwieweit eine hochgenaue vollautomatische 3D-Formerfassung von Freiformflächen mit einem Streifenprojektionsmesssystem erfolgen kann.
Aufgrund des universellen Lösungsansatzes beinhaltet dieses Teilprojekt einen prototypischen Modellcharakter, der von Interesse für zahlreiche benachbarte Industrie- und Anwendungsbereiche ist.

 

Vorgehensweise

Ein integriertes Sensornetzwerk aus Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensoren und hochauflösenden Winkeldrehgebern ermöglicht die stützstellenbasierte Rekonstruktion der Biegungen und Torsionen der Gelenkkörper sowie die Bestimmung der aus dem nichtlinearen Verhalten der Gelenke resultierenden Winkelfehlstellungen der Roboterachsen. Die FBG-Sensoren sind EMV-stabil und eignen sich auch für den Einsatz in stark variierenden elektromagnetischen Feldern. Sie lassen sich direkt am Bauteil applizieren und ermöglichen die Dehnungsmessung im Bereich von wenigen µm/m.

KomoRob1

 

Der Einsatz von hochauflösenden Winkeldrehgebern vereinfacht die Identifikation und erlaubt eine Verifikation der Genauigkeit und Robustheit der Modelle für die Vorhersage der Gelenkfehlstellungen.

KomoRob2

Unter Berücksichtigung der bereits vorhandenen Antriebssensorik des geregelten Robotersystems besteht die Möglichkeit zur Bestimmung der Absolutposition des Tool Center Point (TCP). Die Abweichung zwischen der angefahrenen bzw. vorgegebenen Position und des vom Sensornetzwerk ermittelten aktuellen Arbeitspunktes wird über die Nachregelung der jeweiligen Achsantriebe kompensiert bzw. auf einen für nachfolgende Arbeitsschritte tolerierbaren Wert reduziert.

KomoRob3

 

Zur Erfassung der Werkzeuggeometrie wird am Endeffektor des Industrieroboters ein Streifenprojektionssystem montiert. Dieses ermöglicht die vollautomatische hochgenaue Erfassung der Werkzeuggeometrie. Darüber hinaus werden das System und ein spezieller Kalibrierkörper dazu eingesetzt, eine vollautomatische kinematische Kalibrierung des Industrieroboters durchzuführen. Über den Kalibrierkörper ist es zudem möglich das Messsystem selbst, vollautomatisch zu kalibrieren.

 

Modellierung, Simulation und Kalibrierung

Die konventionelle Spezifikation der Roboterkinematik erfolgt mit Hilfe der vom Hersteller angegebenen kinematischen Parameter. Mit Hilfe der zusätzlich applizierten Sensorik werden die Elastizitäten der Getriebe modelliert, die Verformungen der Gelenkkörper erfasst und die kinematischen Parameter des Roboters identifiziert. Die identifizierten Modelle ermöglichen den Einsatz des Systems zur hochgenauen Vermessung der instand zu setzenden Werkzeuge.

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Kontakt

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Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Dr.-Ing. Michael Ruderman
Post-Doc
apl. Prof. Dr. rer. nat. Frank Hoffmann
Akademischer Oberrat
Tel.: 0231 755-3998
Dr.-Ing. Martin Sternke
Ehemaliger Mitarbeiter
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dr. h.c. Torsten Bertram
Lehrstuhlleitung
Tel.: 0231 755-2760