Контроль силы

Рука робота хватает хрупкий предмет, не раздавливая его.

Управление силой относится к управлению силой, с которой машина или манипулятор робота воздействует на объект или его среду. Регулируя силу прикосновения, можно предотвратить повреждение машины и обрабатываемых предметов, а также травмы при работе с людьми. В производственных задачах он может компенсировать ошибки и уменьшить износ за счет равномерного контактного усилия. Управление усилием обеспечивает более однородные результаты, чем управление положением , которое также используется при управлении машинами . Управление силой может использоваться как альтернатива обычному управлению движением , но обычно используется дополнительно в виде концепций гибридного управления. Для регулирования действующая сила обычно измеряется с помощью датчиков силы или оценивается с помощью тока двигателя.

Управление усилием было предметом исследований в течение почти трех десятилетий, и оно все больше открывает новые области применения благодаря достижениям в области датчиков и исполнительных механизмов, а также новым концепциям управления. Управление усилием особенно подходит для контактных задач, связанных с механической обработкой деталей, но также используется в телемедицине , сервисной робототехнике и сканировании поверхностей.

Датчики силы используются для измерения силы и могут измерять силы и моменты во всех трех пространственных направлениях. В качестве альтернативы силы также могут быть бессенсорными z. Б. можно оценить по токам двигателя. Используемые концепции управления включают косвенное управление силой путем моделирования робота как механическое сопротивление (импеданс) и прямое управление силой в параллельных или гибридных концепциях. Адаптивные подходы , нечеткие контроллеры и машинное обучение для управления силой в настоящее время являются предметом исследований.

генеральный

Ошибка управления движением (красный) в отличие от управления усилием (зеленый).

Контроль силы контакта между манипулятором и окружающей средой становится все более важной задачей в области механического производства, а также промышленной и сервисной робототехники . Одним из мотивов использования контроля силы является безопасность людей и машин. По разным причинам движения робота или частей машины могут быть заблокированы препятствиями во время работы программы. В сервисной робототехнике это могут быть движущиеся объекты или люди; в промышленной робототехнике проблемы могут возникнуть из-за взаимодействия роботов, изменения рабочей среды или неточной модели окружающей среды. Если траектория смещена с классическим контролем движения и программируемым роботом позой (ы) не может быть подошла , управление движением увеличит управляющие переменным - обычно ток двигателя - для того , чтобы исправить ошибку положения. Увеличение управляемой переменной может иметь следующие эффекты:

1. Препятствие удалено или повреждено / уничтожено.
2. Машина будет повреждена или разрушена.
3. Ограничения управляемых переменных превышаются, и контроллер робота выключается.

Контроль силы может предотвратить это, регулируя максимальную силу машины в этих случаях и, таким образом, избегая повреждений или делая столкновения обнаруживаемыми на ранней стадии.

В задачах механического производства неровности заготовки часто приводят к проблемам с контролем движения. Как видно на соседнем рисунке, неровности поверхности приводят к тому, что инструмент слишком глубоко проникает в поверхность ( ) или теряет контакт с заготовкой ( ) во время управления положением (красный ). В результате, например, при шлифовании и полировке сила, действующая на заготовку и инструмент, изменяется. Здесь имеет смысл управление усилием (зеленое), так как оно обеспечивает равномерное удаление материала за счет постоянного контакта с заготовкой. ${\ displaystyle P '_ {1}}$${\ displaystyle P '_ {2}}$

применение

В случае управления усилием можно различать приложения с ярко выраженным и потенциальным контактом . От ярко выраженного контакта происходит, когда контакт станка является центральной частью задачи с окружающей средой или заготовкой и явно регулируется. К ним относятся, прежде всего, задачи механической деформации и обработки поверхности. Для задач с потенциальным контактом важнейшей переменной процесса является расположение машины или ее частей. Более высокие контактные силы между машиной и окружающей средой являются результатом динамической среды или неточной модели окружающей среды. В этом случае машина должна уступать место окружающей среде и избегать больших контактных сил.

Промышленный робот для гибки листового металла на гибочном станке

Основное применение контроля силы сегодня - это механическое производство. Это означает, в частности, производственные задачи, такие как шлифование , полирование и удаление заусенцев, а также процессы с регулируемым усилием, такие как контролируемое соединение, изгиб и вдавливание болтов в предварительно изготовленные отверстия. Еще одно распространенное использование контроля силы - сканирование неизвестных поверхностей. Постоянное контактное давление устанавливается в нормальном направлении к поверхности с помощью управления усилием, а сканирующая головка перемещается в направлении поверхности с помощью управления положением. Затем поверхность может быть описана в декартовых координатах с использованием прямой кинематики .

Дальнейшие применения контроля силы с потенциальным контактом можно найти в медицинской технике и в взаимодействующих роботах. Роботы, которые используются в телемедицине , то есть в медицинских операциях с помощью роботов, могут более эффективно предотвращать травмы, используя контроль силы. Кроме того, здесь большой интерес представляет прямая обратная связь измеренных контактных усилий с оператором посредством рабочего устройства с обратной связью по усилию . Возможные варианты использования этого диапазона вплоть до удаленных операций через Интернет.

В принципе, управление силой также полезно везде, где машины и роботы взаимодействуют друг с другом или с людьми, а также в средах, в которых окружающая среда не описана точно или является динамичной и не может быть точно описана. Там контроль силы помогает уметь реагировать на препятствия и отклонения в модели окружающей среды и избегать повреждений.

сказка

Первая значительная работа по контролю силы была опубликована в 1980 году Джоном Кеннетом Солсбери из Стэнфордского университета . В нем описывается метод активного контроля жесткости, простая форма контроля импеданса. Однако этот метод еще не позволяет комбинировать с управлением движением, вместо этого здесь осуществляется управление силой во всех пространственных направлениях. Поэтому необходимо знать положение поверхности. Из-за плохой работы средств управления роботом в то время управление усилием могло осуществляться только на мэйнфреймах. Таким образом достигается цикл контроллера ~ 100 мс.

В 1981 году Райберт и Крейг представили работу о гибридном управлении усилием / положением, которая актуальна и сегодня. Они описывают метод, в котором с помощью матрицы ( матрицы разделения) явно указывается для всех пространственных направлений, используется ли управление движением или силой. Райберт и Крейг просто набрасывают концепции контроллера и предполагают, что они осуществимы.

В 1989 году Койво представил расширенное представление концепций Райберта и Крейга. Здесь по-прежнему необходимо точное знание положения на поверхности, что является типичными задачами управления силами сегодня, такими как Б. сканирование поверхностей, по-прежнему не допускается.

Управление силой было предметом интенсивных исследований в течение последних двух десятилетий и достигло значительного прогресса благодаря дальнейшему развитию датчиков и алгоритмов управления. Уже несколько лет крупные производители средств автоматизации предлагают программные и аппаратные пакеты для своих средств управления, позволяющие управлять усилием. Современные средства управления машиной способны управлять силой в реальном времени в одном пространственном направлении с временем цикла менее 10 мс.

Измерение силы

Чтобы замкнуть контур управления усилием с точки зрения регулирования , необходимо знать мгновенное значение контактного усилия. Контактное усилие можно измерить напрямую или оценить.

Прямое измерение силы

Тензодатчики из фольги

Тривиальный подход к управлению усилием - это прямое измерение контактных сил, возникающих с помощью датчиков силы / крутящего момента на концевом эффекторе машины или на запястье промышленного робота. Датчики силы / крутящего момента измеряют возникающие силы, измеряя деформацию датчика. Самый распространенный способ измерения деформаций - это измерение с помощью тензодатчиков .

В дополнение к широко распространенным тензодатчикам, изготовленным из переменного электрического сопротивления, существуют также другие конструкции, в которых для измерения используются пьезоэлектрические , оптические или емкостные принципы. Однако на практике они используются только для специальных приложений. Например, емкостные тензодатчики также могут использоваться в диапазоне высоких температур выше 1000 ° C.

Тензодатчики сконструированы таким образом, что они имеют как можно более линейную зависимость между расширением и электрическим сопротивлением в рабочем пространстве. Есть также несколько способов уменьшить ошибки измерения и помехи. Для исключения температурных воздействий и повышения надежности измерения два тензодатчика могут быть размещены дополнительно.

Современные датчики силы / крутящего момента измеряют как силы, так и крутящие моменты во всех трех пространственных направлениях и доступны практически с любым диапазоном значений. Точность обычно находится в диапазоне промилле максимального измеренного значения. Частота дискретизации датчиков находится в диапазоне около 1 кГц. Продолжением 6-осевых датчиков силы / крутящего момента являются 12- и 18-осевые датчики, которые в дополнение к шести компонентам силы или крутящего момента также могут измерять шесть компонентов скорости и ускорения.

Шестиосевой датчик силы / крутящего момента

Датчик силы / крутящего момента с измерением трех составляющих силы и трех компонентов крутящего момента.

В современных приложениях часто используются так называемые шестиосевые датчики силы / момента. Они устанавливаются между рукой робота и концевым эффектором и могут регистрировать силы и крутящие моменты во всех трех пространственных направлениях. Для этого они оснащены шестью или более тензодатчиками (или тензодатчиками), которые обнаруживают деформации в диапазоне микрометров. Эти деформации преобразуются в три компонента силы и крутящего момента с помощью калибровочной матрицы.

Датчики силы / крутящего момента содержат цифровой сигнальный процессор, который постоянно записывает и фильтрует данные датчика (деформации), параллельно, вычисляет данные измерений (силы / моменты) и делает их доступными через интерфейс связи датчика.

Следует отметить, что измеренные значения соответствуют силам, действующим на датчик, и обычно должны быть преобразованы в силы и крутящие моменты на концевом эффекторе или инструменте с использованием подходящего преобразования.

Поскольку датчики силы / крутящего момента по-прежнему относительно дороги (от 4000 до 15000 евро) и очень чувствительны к перегрузкам и сбоям, они, а, следовательно, и контроль силы, до сих пор неохотно используются в промышленности. Одним из решений является косвенное измерение или оценка силы, что позволяет контролировать силу без использования дорогостоящих и подверженных сбоям датчиков силы.

Оценка силы

Экономичной альтернативой прямому измерению силы является оценка силы (также известная как «косвенное измерение силы»). Это позволяет отказаться от использования датчиков силы / момента. Помимо экономии затрат, отказ от них дает и другие преимущества: датчики силы обычно являются самым слабым звеном в механической цепи машины или роботизированной системы, поэтому работа без них обеспечивает большую стабильность и меньше механических поломок. Кроме того, устранение датчиков силы / крутящего момента обеспечивает более высокий уровень безопасности, поскольку не нужно выводить кабели датчиков и защищать их непосредственно на запястье манипулятора.

Распространенным методом косвенного измерения силы или оценки силы является измерение токов двигателя, которые применяются для управления движением. Они, с некоторыми ограничениями, пропорциональны крутящему моменту, приложенному к оси ведомого робота. С поправкой на влияние гравитации, инерции и трения токи двигателя в значительной степени линейны по отношению к крутящим моментам отдельных осей. Контактное усилие на концевом эффекторе можно определить по известным для него крутящим моментам.

Разделение динамических и статических сил

При измерении и оценке силы может потребоваться фильтрация сигналов датчиков. Могут возникнуть многочисленные побочные эффекты и побочные силы, которые не соответствуют измерению контактного усилия. Это особенно актуально, если на манипулятор устанавливается груз большей массы. Это нарушает измерение силы, когда манипулятор движется с большим ускорением.

Для того, чтобы иметь возможность корректировать измерения с учетом побочных эффектов, должны быть доступны как точная динамическая модель машины, так и модель или оценка нагрузки. Эта оценка может быть определена с использованием опорных перемещений (свободное движение без контакта с объектом). После оценки нагрузки измерение или оценка сил может быть скорректирована с учетом кориолисовых , центростремительных и центробежных сил , гравитационных и фрикционных эффектов и инерции . Здесь также можно использовать адаптивные подходы, чтобы постоянно корректировать оценку нагрузки.

Концепции управления

Для управления силой используются различные концепции управления. В зависимости от желаемого поведения системы различают концепции прямого управления силой и косвенного управления путем определения податливости или механического сопротивления. Как правило, управление силой сочетается с управлением движением. Концепции управления силой должны учитывать проблему связи между силой и положением: если манипулятор находится в контакте с окружающей средой, изменение положения также означает изменение силы контакта.

Контроль импеданса

Контроль импеданса или контроль соответствия регулируют соответствие системы, то есть связь между силой и положением в случае контакта с объектом. В специальной литературе податливость определяется как «мера способности робота противодействовать контактным силам». Есть пассивный и активный подходы к этому. Гибкость системы робота моделируется как механический импеданс, который описывает соотношение между приложенной силой и результирующей скоростью. Машина или манипулятор робота рассматривается как механическое сопротивление с ограничениями положения из-за окружающей среды. Таким образом, причинно-следственная связь механического сопротивления описывает, что движение робота приводит к возникновению силы. С другой стороны, при механическом допуске сила, действующая на робота, приводит к результирующему движению.

Пассивный контроль импеданса

Удаленный центр соответствия поддается вращательным и поступательным отклонениям во время процесса вставки.

Для пассивного контроля соответствия не требуется измерения силы, так как нет явного контроля силы. Вместо этого манипулятор и / или концевой эффектор спроектированы так, чтобы быть гибкими, чтобы минимизировать контактные силы, возникающие во время выполняемой задачи. Типичные области применения - это процессы вставки и захвата. Концевой эффектор сконструирован таким образом, что допускает поступательные и вращательные отклонения перпендикулярно направлению захвата или вставки, но имеет высокую степень жесткости в направлении захвата или вставки. На рисунке напротив показан так называемый Удаленный центр соответствия (RCC), который делает это возможным. В качестве альтернативы RCC вся машина также может быть конструктивно эластичной.

Пассивный контроль импеданса - очень хорошее решение с точки зрения динамики системы , так как из-за контроля отсутствуют мертвые времена . Однако пассивный контроль соответствия часто ограничен в задаче из-за механических характеристик конечного эффектора и не может быть использован без дальнейших церемоний для различных и меняющихся задач или условий окружающей среды.

Активный контроль импеданса

Активный контроль соответствия описывает управление манипулятором из-за отклонения рабочего органа. Это особенно удобно для управления роботом оператором, например, в рамках процесса обучения .

Активный контроль соответствия основан на идее отображения системы машины и окружающей среды как системы пружина-демпфер-масса. Возникающая сила и движение (положение , скорость и ускорение ) напрямую связаны с уравнением пружина-демпфер-масса: ${\ displaystyle F}$${\ Displaystyle х (т) \! \,}$${\ Displaystyle {\ точка {х}} (т)}$${\ Displaystyle {\ ddot {x}} (т)}$

${\ Displaystyle F (T) = с \ cdot x (t) + d \ cdot {\ dot {x}} (t) + m \ cdot {\ ddot {x}} (t)}$

Гибкость или механическое сопротивление системы определяется жесткостью , демпфированием и инерцией и может зависеть от этих трех переменных. Механический целевой импеданс , который достигается системой управления машиной, задается для управления через эти три переменные . ${\ displaystyle c}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle m}$

Блок-схема активного контроля импеданса с указанием силы ( ) и положения ( ).${\ displaystyle F_ {должен}}$${\ displaystyle X_ {should}}$

На рисунке показана блок-схема силового управления импедансом. Импеданс на блок-схеме представляет упомянутые компоненты , и . Регулирование импеданса на основе положения может быть разработано аналогично внутреннему управлению положением или перемещением. ${\ displaystyle c}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle m}$

Альтернативно и аналогично можно регулировать гибкость ( проводимость ) вместо сопротивления . В отличие от управления импедансом, проводимость появляется в законе управления как величина, обратная импедансу.

Прямое управление силой

Упомянутые выше концепции включают так называемое косвенное управление силой, поскольку контактное усилие не указывается явно в качестве эталонной переменной, а определяется косвенно через параметры контроллера: демпфирование , жесткость и (виртуальную) массу . Ниже представлено прямое управление силой.

Прямое управление усилием использует желаемую силу в качестве уставки в замкнутом контуре управления . Он реализован как параллельное управление усилием / положением в форме каскадного управления или как гибридное управление усилием / положением, при котором выполняется переключение между управлением положением и управлением усилием.

Параллельное управление усилием / положением

Одной из возможностей управления усилием является параллельное управление усилием / положением. Устройство управления выполнено в виде каскадного управления и имеет контур управления внешней силой и внутренний контур управления положением. Как показано на следующем рисунке, соответствующая коррекция подачи рассчитывается из разницы между заданным и фактическим усилием. Эта коррекция подачи смещена относительно номинальных значений положения, при этом объединение и задание положения управления усилием ( ) имеет более высокий приоритет, т.е. ошибка положения допускается в пользу правильного управления усилием. Расчетное значение является входной переменной для внутреннего контура управления положением. ${\ displaystyle X_ {should}}$${\ displaystyle X_ {korr}}$${\ displaystyle X_ {korr}}$

Блок-схема параллельного управления усилием / положением с указанием силы ( ) и положения ( ).${\ displaystyle F_ {должен}}$${\ displaystyle X_ {should}}$

Аналогично внутреннему управлению положением, также может иметь место внутреннее регулирование скорости, которое имеет более высокую динамику. Следует отметить, что в этом случае внутренний контур управления должен быть насыщен, чтобы не генерировать (теоретически) произвольно увеличивающуюся скорость при свободном движении, пока не произойдет контакт.

Гибридное управление усилием / положением

Гибридное управление усилием / положением, которое работает с двумя отдельными системами управления и может также использоваться с жесткими, негибкими контактными поверхностями, предлагает улучшение по сравнению с концепциями, описанными выше. При гибридном управлении усилием / положением пространство делится на ограниченное ( англ . : ограниченное ) и неограниченное (англ .: неограниченное ) пространство. Ограниченное пространство содержит ограничения в виде препятствий и не допускает свободного передвижения; неограниченное пространство допускает свободное передвижение. Каждое измерение пространства либо ограничено, либо безгранично.

Блок-схема гибридного управления усилием / положением с разделительной матрицей Σ .

При гибридном управлении силой, управление силой используется для ограниченного пространства, управление положением используется для неограниченного пространства. На рисунке представлена ​​такая схема. Матрица Σ указывает, какие пространственные направления ограничены, и представляет собой диагональную матрицу, состоящую из нулей и единиц.

Какое пространственное направление ограничено, а какое не ограничено, можно, например, указать статически. Затем для каждого пространственного направления явно указывается управление силой и положением; тогда матрица Σ статична. Другая возможность - динамически переключать матрицу Σ с помощью измерения силы . При контакте или столкновении можно переключиться с управления положением на управление силой для отдельных пространственных направлений. В случае контактных задач все пространственные направления будут управляться движением в случае свободного движения; после установления контакта будет сделан переключатель для принудительного управления в направлении контакта путем выбора соответствующей матрицы Σ .

исследование

Исследования последних лет все больше сосредоточиваются на адаптивных концепциях, использовании нечетких контроллеров и машинного обучения, а также на силовом управлении всем телом.

Адаптивное управление силой

Вышеупомянутые неадаптивные концепции основаны на точном знании динамических параметров процесса. Обычно они определяются и корректируются путем экспериментов и калибровки. Проблемы могут возникнуть из-за ошибок измерения и переменных нагрузок. В адаптивном управлении мощностью позиционно-зависимые и, таким образом, изменяющиеся во времени части системы должны быть истолкованы как колебания параметра, а в процессе управления адаптацией регулируется константа.

Следует отметить, что из-за изменения регулирования не может быть дана гарантия динамической устойчивости системы. Поэтому адаптивное управление обычно используется только в автономном режиме, и результаты интенсивно тестируются в моделировании перед использованием в реальной системе.

Нечеткое управление и машинное обучение

Явная модель системы является предпосылкой для использования классических методов проектирования. Если это невозможно отобразить или сложно отобразить, можно рассмотреть нечеткие контроллеры или машинное обучение. С помощью нечеткой логики приобретенные человеческие знания могут быть преобразованы в управляющее действие в форме требований нечетких правил. Явная спецификация параметров контроллера больше не требуется.

Кроме того, подходы с помощью машинного обучения больше не требуют, чтобы люди создавали управляющее поведение, а используют машинное обучение в качестве основы для управления.

Регулирование всего тела

Из-за высокой сложности современных роботизированных систем, таких как гуманоидные роботы , необходимо регулировать большое количество задействованных степеней свободы. Кроме того, такие системы все чаще используются в непосредственном окружении человека. Соответственно, концепции управления силой и импедансом используются в этой области целенаправленно для повышения безопасности, поскольку это обеспечивает гибкое взаимодействие робота с окружающей средой и людьми.

литература

• Бруно Сицилиано , Луиджи Виллани: Управление силой роботов . Springer, 2000, ISBN 0-7923-7733-8 . 
• Вольфганг Вебер: Промышленные роботы. Методы контроля и регулирования . Fachbuchverlag Leipzig, 2002, ISBN 3-446-21604-9 . 
• Лоренцо Шавикко , Бруно Сицилиано: моделирование и управление роботами- манипуляторами . Springer, 1999, ISBN 1-85233-221-2 . 
• Клаус Рихтер: Силовое управление упругими роботами . VDI-Verlag, 1991, ISBN 3-18-145908-9 . 

Индивидуальные доказательства

1. ↑ ^{а б} Вадим Русин: Адаптивное управление роботизированными системами в контактных задачах. ( Памятка от 9 января 2016 г. в Интернет-архиве ) (PDF; 4,5 МБ). Университет Отто фон Герике в Магдебурге, 2007 г.
2. ↑ Джон Кеннет Солсбери: Активный контроль жесткости манипулятора в декартовых координатах. 19-я конференция IEEE по решениям и контролю, декабрь 1980 г.
3. ↑ ^{a b c d} Маркус Даппер: Бессенсорный манипулятор Force Контроль силы для сканирования неизвестных твердых поверхностей. Рейнский университет им. Фридриха Вильгельма, Бонн, ноябрь 2003 г.
4. ^ MH Raibert, Джон Крейг: Гибридное управление положением / силой манипуляторов. Журнал ASME по динамическим системам, измерениям и управлению, июнь 1981 г.
5. ↑ AJ Koivo: Основы управления роботизированным манипулятором. Wiley & Sons, Нью-Йорк, США 1989.
6. ↑ Малик Кабаравдич: Вклад в оптимизацию объема стружки при ленточном шлифовании с помощью промышленных роботов деталей произвольной формы. С. 110, Технический университет Дортмунда, февраль 2008 г.
7. ↑ Эко Боно Суприяди: Кинематическое управление в реальном времени и управление мощностью четвероногой шагающей машины на основе упрощенной кинематики. Университет Дуйсбург-Эссен, май 2005 г.
8. ^ Джон Симпсон, Чжэн Ли, Крис Кук: Бессенсорная оценка силы для роботов с трением. (PDF; 731 kB) Ноябрь 2002 г.
9. ↑ Д. Коломбо, Д. Даллефрат, Л. Молинари Тосатти: Системы управления на базе ПК для контроля соответствия и интуитивного программирования промышленных роботов. (PDF; 816 kB) В: Труды Объединенной конференции по робототехнике. Май 2006 г.
10. ↑ Александр Винклер: Вклад в силовое взаимодействие человека и робота.  ( Страница больше не доступна , поиск в веб-архивах )  Информация: ссылка была автоматически помечена как дефектная. Проверьте ссылку в соответствии с инструкциями и удалите это уведомление. (PDF; 6,3 МБ) Технологический университет Хемница, 2006 г.@ 1@ 2Шаблон: Toter Link / archiv.tu-chemnitz.de  
11. ↑ Лоренцо Скьявикко, Бруно Сицилиано: Моделирование и управление роботами- манипуляторами. 2-е издание, Springer Verlag, 1999, ISBN 1-85233-221-2 .
12. ↑ Александр Дитрих : Контроль импеданса всего тела колесных роботов-гуманоидов , ISBN 978-3-319-40556-8 , Springer International Publishing, 2016.

Эта статья была добавлена в список отличных статей 19 сентября 2009 года в этой версии .