Mechatronisches Koppelsystem für die prozessunabhängige, kraftgeregelte Kopplung von seriellen Roboterkinematiken

Mit dem gesellschaftlichen und technologischen Wandel einhergehende kürzere Pro-duktlebenszyklen bei gleichzeitig steigender Produktvielfalt führen zu stetig steigenden Anforderungen an die Produktionstechnik. Da etablierte Produktionslösungen mit starren Verkettungen und geringer Flexibilität diesen Anforderungen nicht nachhaltig gerecht werden können, muss die Produktionstechnologie wandlungsfähiger werden. Dieses Ziel kann durch ganzheitlich gedachte universelle Produktionslösungen wie die Wertstrom-kinematik umgesetzt werden. Der Kern dieses Produktionskonzeptes ist der Einsatz von Robotern als universelle Produktionsmaschine. ... mehrUm den Ansprüchen eines universellen Einsatzes gerecht zu werden, fehlt Industrierobotern gegenwärtig allerdings noch die notwendige Steifigkeit und Genauigkeit. Auch die starke Abhängigkeit dieser Eigen-schaften von der Roboterpose ist herausfordernd. Ein vielversprechender Lösungsan-satz für diese Problematik ist die Kopplung von seriellen Roboterkinematiken zu einer geschlossenen parallelkinematischen Kette. Eine solche Parallelschaltung ermöglicht höhere Steifigkeiten und Genauigkeiten sowie eine Reduzierung der Posenabhängigkeit. Da bisherige Kopplungslösungen allerdings noch keinen prozessunabhängigen sowie universellen Einsatz erlauben und noch keine Bewertungen von gekoppelten Systemen für den fertigungstechnischen Einsatz existieren, wird die Technologie gegenwärtig noch nicht in der Industrie eingesetzt.
Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine universell einsetzbare, prozessunabhängige Lösung zur starren Kopplung von Robotern zu entwickeln und zu bewerten. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein universell einsetzbares Kopplungssystem entwickelt. Dieses umfasst das mechanische Koppelmodul und eine Regelung der inneren Kräfte innerhalb einer geschlossenen kinematischen Kette. Das Koppelmodul wird als adapterbasierte und automatisiert ankoppelbare Lösung entwickelt. An das Koppelmodul können beliebi-ge Endeffektoren angebracht werden. Eine mechatronische Schnittstelle erlaubt die Übertragung von Energie und Betriebsstoffen an den Endeffektor. Mit im Koppelmodul integrierten Kraftsensoren kann der Verspannungszustand für die Regelung der inneren Kräfte identifiziert werden. Die Kraftregelung wird als echtzeitfähiges System realisiert und erlaubt eine kraftbasierte Regelung der inneren Kräfte parallel zur positionsbasier-ten Lageregelung des Roboters. Die Ermittlung der inneren Kräfte erfolgt mithilfe eines Berechnungsmodells und der Zugriff auf die Lageregelung mithilfe eines Nachgiebig-keitsmodells zur Transformation von Kraftdaten in Lagekorrekturwerte.
Zur Validierung werden das Koppelmodul und die Kraftregelung in eine Roboterzelle mit zwei Vertikalknickarmrobotern mit einer Traglast von je 290 kg integriert und in einer systematischen Untersuchung der Steifigkeit und Genauigkeit charakterisiert. Das ge-koppelte System weist im Schnitt eine um den Faktor 3,13 höhere Steifigkeit und eine reduzierte Posenabhängigkeit gegenüber einem einzelnen Roboter auf. Die erzielten Genauigkeiten sind hingegen schlechter als bei einem Einzelroboter. Dies kann auf mehrere systematische Störeinflüsse zurückgeführt werden. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse großes Potential, aber auch noch vorhandene Schwächen der Kopp-lungstechnologie auf. Aus den Ergebnissen der Charakterisierung wird daher ein Ent-wicklungsplan für die zukünftige Weiterentwicklung der Kopplungslösung abgeleitet und vorgestellt.

Shorter product life cycles and an increasing product diversity, both driven by social and technological change, lead to constantly increasing demands on production tech-nology. As established production solutions with rigid chains and low flexibility cannot sustainably meet these requirements, production technology must become more versa-tile. This challenge can be addressed by holistically designed universal production solu-tions such as „Wertstromkinematik“. The core idea of this production concept is to use robots as universal production machines. However, industrial robots currently lack the necessary rigidity and accuracy to do justice to universal application. ... mehrMoreover, the strong dependence of these properties on the robot pose is also challenging. A promis-ing approach to address this problem is to couple serial robot kinematics to form a closed parallel kinematic chain. The parallel connection enables higher stiffness, accu-racy and a reduction in pose dependency. However, since current coupling solutions do not allow process-independent nor universal use and additionaly, there are no evalua-tions of coupled systems for manufacturing-related use yet, the technology is not util-zied in industry.
Therefore, the aim of this work is to develop as well as evaluate a universally applica-ble, process-independent solution for rigidly coupled robots. To achieve this goal, a general-purpose coupling system is being developed. The system comprises the me-chanical coupling module and a force control system for controlling the internal forces within a closed kinematic chain. The coupling module is being developed as an adapter-based solution that can be coupled automatically. Any end effector can be attached to the coupling module. A mechatronic interface allows energy and operating fluids to be transferred to the end effector. With in the coupling module integrated force sensors, the tension state can be identified to control the internal forces. The force control is devel-oped as a real-time capable system and allows a force-based control of the internal forces in parallel to the position control of the robot. The internal forces are determined using a calculation model. Compatibility to the position control is realized by a compli-ance model for the transformation of force data into position correction values.
For validation purposes, the coupling module and the force control are integrated into a robotic cell with two vertical articulated robots with a load capacity of 290 kg, The total system is characterized in a systematic investigation of stiffness and accuracy. The coupled system shows an average stiffness increase of a factor of 3.13 as well as a reduced pose dependency in comparison to a single robot. However, the achieved accu-racies tend to be lower than those of a single robot. This can be attributed to several systematic influences. In summary, the results show a great potential but also existing weaknesses of the coupling technology. Therefore, a development plan for the further evolution of the coupling solution is derived from the results of the characterization and presented.