Störgrößenkompensation eines intelligenten Kraft-Momenten-Sensors am Beispiel eines Industrieroboters

Kurzfassung

Ein Kraft-Momenten-Sensor (KMS) misst am Roboter nicht nur die auftretenden Kontaktkräfte, sondern auch Gravitations- und Trägheitskräfte, verursacht durch das Eigengewicht des Sensors und des Werkzeugs, sowie weitere Störterme bedingt durch Temperaturänderungen, Sensorrauschen und -offsets. Für eine Kraftregelung sind dies Störterme, da normalerweise nur die Schnittkräfte und -momente zsischen Werkzeug und Kontaktfläche von Bedeutung sind. In der Praxis werden zur Störgrößenkompensation des KMS häufig nur die Gravitationskräfte und Sensoroffsets berücksichtigt, jedoch die bei Beschleunigung auftretenden Trägheitskräfte außer acht gelassen. Ein vielversprechender Ansatz um auch Trägheitskräfte zu berücksichtigen bieten modellbasierte Methoden, die ein Modell von Roboter, Sensor und Werkzeuglast erfordern. In der vorliegenden Arbeit wird eine modellbasierte Störgrößenkompensation für einen am Industrieroboter installierten 6-Achsen-KMS entwickelt. Der Roboter wird als Mehrkörpersystem mit starren sowie auch mit elastischen Gelenken modelliert, mit dem Ziel auch die für Industrieroboter typischen Getriebeelastizitäten zu berücksichtigen. Um die dabei relevanten getriebeabtriebssseitigen Größen zu schätzen, wird ein lineares Kalman-Filter verwendet. Nichtlineare auf den Antriebsstrang wirkende physikalsiche Effekte werden in diesem Zusammenhang separat modelliert. Um unbekannte Störungen und Modellungenauigkeiten im Entwurf zu berücksichtigen, wird ein zusätzliches Störmodell aufgenommen. Für hochdynamische Anregungen liefert das Modell des elastischen Gelenks z.T. deutlich bessere Ergebnisse als das Modell des starren Gelenks. Darüber hinaus zeigt sich, dass das Modell des elastischen Gelenks noch weiteres Verbesserungsportential birgt. Dabei erscheint es vielversprechend, das in dieser Arbeit entwickelte Modell eines elastischen Gelenks als nächsten möglichen Schritt auf weitere Achsen des Roboters zu übertragen.