Beitrag zur Steigerung der Flexibilität automatisierter Montagesysteme durch Sensorintegration und erweiterte Steuerungskonzepte

Die aktuelle Problemstellung in der Montage ist vom Spannungsverhältnis zwischen weitreichenden Automatisierungsbestrebungen und wachsender Variantenvielfalt gekennzeichnet. Verstärkt durch den Einfluß abnehmender Produktlebensdauer werden steigende Flexibilitätsforderungen an automatisierte Montagesysteme gestellt, die zu erfüllen es in jedem Fall einer Vielzahl aufeinander abgestimmter Maßnahmen bedarf. In der vorliegenden Arbeit wurde daraus der Aspekt der steuerungstechnischen Maßnahmen aufgegriffen. Es wurde eine Methode zur Sensorauswahl entworfen, die den Planer von Montagesystemen unterstützen soll. Sie geht von den Aufgaben und Funktionen der gesuchten Sensoren im Montagesystem aus und schränkt auf systematische Art und Weise das Spektrum fraglicher Sensoren ein. Die Frage der erforderlichen Sensorausstattung ist bereits in einem relativ frühen Stadium der Planung relevant, weil unter Umständen der mechanische Aufbau durch Einbeziehung von Sensoren vereinfacht und die Systemverfügbarkeit erhöht werden kann. Zur Berücksichtigung eines möglichst breiten Marktangebotes wurde besonderer Wert auf durchgängige Herstellerneutralität gelegt. Für den Planer stellt ein darauf basierendes, rechnergestütztes Auswahlsystem mit Zugriff auf eine Sensordatenbank ein wertvolles Hilfsmittel dar, um den jeweils neuesten Entwicklungsstand im Sensorbereich berücksichtigen zu können. Über den automatischen Anlagenbetrieb hinaus lassen sich Sensoren sehr wirkungsvoll zur Erleichterung von Anpassungsarbeiten an Montagesystemen verwenden, die in der Folge von Produktänderungen nötig werden. Neben Vermessungs- und Kontrollarbeiten eignen sich Sensoren unter Einbeziehung geeigneter Steuerungs- und Regelungsmechanismen auch für die Bewegungsprogrammerstellung der Roboter. Ein neues sensorgestütztes Programmierverfahren wurde entwickelt, das mit minimalem Vorbereitungsaufwand auskommt und prinzipiell ohne manuelle Eingriffe betrieben werden kann. Praktische Untersuchungen zeigen in Übereinstimmung mit den Ergebnissen einer Simulationsstudie, daß der Programmiervorgang auch unter dem Einfluß von Störungen beherrschbar bleibt. Steuerungsmaßnahmen zur Kompensation bekannter Störungen können allerdings sowohl das Abtastverhalten als auch insgesamt die Qualität des Programmierergebnisses spürbar verbessern. Im Allgemeinen wird die Programmiermethode erst durch die Reduktion der aufgenommenen Meßdaten praktisch verwendbar. Der geringe Umfang der verbleibenden Datensätze begünstigt die Verwaltung der Bewegungsprogramme in den Steuerungen und ist Voraussetzung für ihre effiziente Archivierung. Die Datenreduktion muß in der Art erfolgen, daß später mit Hilfe des steuerungsinternen Interpolators die Meßkurve ausreichend gut wiederhergestellt werden kann. Bei einem Vergleich verschiedener Interpolationsverfahren hat sich dabei die HERMITEsche Spline-Interpolation als die universellste erwiesen. Die übliche Montagezellengrundausstattung mit einem Roboter und mehreren Peripheriegeräten eignet sich nicht für alle Montageaufgaben. In bestimmten Fällen erscheint ein neuer Losungsansatz vielversprechend, der in Anlehnung an die manuelle Arbeitsweise zwei Roboterarme vorsieht, deren Bewegungen nach den Forderungen der Montageaufgabe miteinander koordiniert werden. Die Wirksamkeit dieses Ansatzes konnte bestätigt werden anhand einer Problemgruppe der automatischen Montage, den forminstabilen Werkstücken und Baugruppen, für die bisher kaum Automatisierungslösungen bekannt geworden sind. Für dieses Aufgabenspektrum wurden einige Typen koordinierter Bewegungen zusammengestellt und geeignete Algorithmen zur steuerungstechnischen Umsetzung abgeleitet. Da die Beschreibung derart aufeinander abgestimmter Armbewegungen mit konventionellen Programmiersprachen sehr umständlich ist und zu langen Programmerstellungszeiten führt, wurde ein einfaches Sprachkonzept für die Duplexmontage entworfen, das sich bei Versuchen an Beispielaufgaben bewährt hat. Als möglicher Realisierungsweg wurde die Struktur des Steuerungssystems vorgestellt, das eigens für den praktischen Test der Algorithmen erstellt wurde. Mit der vorliegenden Arbeit konnte verdeutlicht werden, daß Sensoren und spezifische Steuerungsfunktionen maßgeblich die Flexibilität automatisierter Montagesysteme erhöhen können. Die Weiterentwicklung beider Elemente erscheint als notwendige Voraussetzung dafür, daß auch bei hoher Produkt- und Variantenvielfalt künftige Montagesysteme wirtschaftlich betreibbar sein können.The current problem in assembly is characterized by the tension between far-reaching automation efforts and growing variety of variants. Increased by the influence of decreasing product life, increasing flexibility demands are placed on automated assembly systems, which in any case require a large number of coordinated measures. In this work, the aspect of control measures was taken up. A sensor selection method was designed to support the planner of assembly systems. It is based on the tasks and functions of the sensors sought in the assembly system and systematically limits the range of sensors in question. The question of the required sensor equipment is relevant at a relatively early stage of planning, because under certain circumstances the mechanical structure can be simplified by including sensors and the system availability can be increased. In order to take into account, the broadest possible market offer, special emphasis was placed on consistent manufacturer neutrality. For the planner, a computer-based selection system based on this and with access to a sensor database is a valuable tool in order to be able to take into account the latest developments in the field of sensors. In addition to the automatic system operation, sensors can be used very effectively to facilitate adjustment work on assembly systems that are necessary as a result of product changes. In addition to measurement and control work, sensors, including suitable control mechanisms, are also suitable for the movement program creation of the robots. A new sensor-based programming process was developed that requires minimal preparation and can in principle be operated without manual intervention. Practical investigations, in accordance with the results of a simulation study, show that the programming process can still be controlled under the influence of disturbances. Control measures to compensate for known disturbances can, however, noticeably improve both the scanning behavior and the overall quality of the programming result. In general, the programming method can only be used practically by reducing the recorded measurement data. The small volume of the remaining data sets favors the management of the movement programs in the controls and is a prerequisite for their efficient archiving. The data must be reduced in such a way that the measurement curve can be restored sufficiently well later with the help of the control interpolator. When comparing different interpolation methods, HERMITE spline interpolation has proven to be the most universal. The usual assembly cell basic equipment with a robot and several peripheral devices is not suitable for all assembly tasks. In certain cases, a new solution approach appears promising, which, based on the manual mode of operation, provides for two robot arms, the movements of which are coordinated with one another according to the requirements of the assembly task. The effectiveness of this approach could be confirmed on the basis of a problem group of automatic assembly, the dimensionally unstable workpieces and assemblies, for which hardly any automation solutions have been known so far. For this range of tasks, several types of coordinated movements were compiled and suitable algorithms for control technology implementation were derived. Since the description of arm movements coordinated in this way with conventional programming languages is very cumbersome and leads to long program creation times, a simple language concept for duplex assembly was designed, which has proven itself in tests on sample tasks. The structure of the control system, which was created especially for the practical test of the algorithms, was presented as a possible implementation path. The present work made it clear that sensors and specific control functions can significantly increase the flexibility of automated assembly systems. The further development of both elements appears to be a necessary prerequisite for future assembly systems to be economically operable, even with a large variety of products and variants

Ein Beitrag zur kraftbasierten Mensch-Roboter-Interaktion

Ausgehend von einem mit Kraft-/ Momentsensor ausgestatteten seriellen Roboter, wird die kraftbasierte Mensch-Roboter-Interaktion, als ein Spezialfall der Kraft-/ Momentregelung, untersucht. Betrachtet werden dabei sowohl die kinematischen Eigenschaften verschiedener Algorithmen als auch das dynamische Verhalten des Roboters während der kraftgeführten Bewegung (Handführen). Vorgeschlagen für die anschließende Implementierung in reale Steuerungssysteme wird der Ansatz zur kraftgeführten Bewegung im Gelenkraum. Er hat im Vergleich zum kartesischen Algorithmus verschiedene Vorteile. Diese werden an konkreten Beispielen verdeutlicht. Außerdem werden diverse Zusatzfunktionalitäten und Anwendungsfelder vorgestellt. Besondere Erwähnung findet die Problematik der Bedienersicherheit während der Mensch-Roboter-Interaktion. Am Beispiel eines Robotersystems mit sog. offener Steuerung wird untersucht, inwieweit es möglich ist, den Kraft-/ Momentsensor durch einen Algorithmus zum Schätzen von Kontaktkräften und -momenten zu ersetzen. Verwendet werden dabei die Werte der Motorenströme. Darauf basierend wird die kraftgeführte Bewegung des Roboters ohne zusäzliche Sensorik demonstriert

Parallelisierbare Erkennung trihedraler, starrer und statischer Polyeder in einzelnen hochauflösenden Abstandsbildern

Ein Problem bei der autonomen Navigation mobiler Roboter besteht darin, die aktuelle Position eines Roboters innerhalb bekannt strukturierter Umgebung zu bestimmen. Die Positionsbestimmung aufgrund interner Sensoren wie Kreisel oder wegmessender Systeme weist allerdings eine mit der Zeit wachsende Drift auf. Interne Sensoren müssen daher von Zeit zu Zeit mit Hilfe externer Sensoren an die Umgebung angepasst werden. Andere Verfahren zur externen Positionsbestimmung können durch Erkennung dreidimensionaler Objekte anhand ihrer Form sinnvoll ergänzt werden. Da bei der Navigation auch die Positionsbestimmung Echtzeitanforderungen erfüllen muss, sind insbesondere gut parallelisierbare Verfahren von grosser Bedeutung. Zur Erfassung der Form von Szenen sind vor allem 3D-Laserscanner geeignet. Aufgrund bestimmter Vorteile bei der Bildaufnahme werden hier hochauflösende Abstandsbilder von 3D-Laserradarscannern verwendet. Unter Verwendung des a-priori Wissens, dass Szenen aus starren und statischen Polyedern bestehen, in deren Polyederecken sich genau drei Ebenen schneiden, wird eine kantenbasierte Szenenbeschreibung des Abstandsbildes generiert. Zu erkennende Objekte werden als charakteristische Ansichten repräsentiert werden, wobei charakteristische Ansichten und Szenenbeschreibung gleiche Struktur besitzen. Zunächst werden mittels eines speziellen Krümmungsmasses potentielle Kantenpunkte verschiedenen Typs extrahiert. Die Position der Kantenpunkte wird in einer Lokalisierungsphase so verfeinert, dass bestimmte Kantenpunkte trotz eines für das Radarmessverfahren typischen Sensoreffekts extrahiert werden. Aus den Kantenpunkten wird eine Szenenbeschreibung aus 3D-Kanten aufgebaut, die sich vor allem durch geeignet gewählte Attribute fr Polyederecken auszeichnet. Die Erkennung von Objekten anhand der Szenenbeschreibung besteht darin, Korrespondenzen zwischen 3D-Objekt- und 3D-Szenenkanten zu finden. Zur Lösung des Korrespondenzproblems werden künstliche neuronale Netze und verwandte Ansätze vorgeschlagen und innerhalb eines einheitlichen Rahmens gegenübergestellt. Qualitative Erkennungsresultate werden für künstliche neuronale Netze bestimmten Typs aufgezeigt. Anhand eines Benchmarks wird ein Vergleich mit einem verwandten Verfahren durchgeführt