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Roboterbasierte Bahnführungsunterstützung von industriellen Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen

Robot-based trajectory assistance of manual handling and machining processes
 
: Helms, Evert

:
Fulltext urn:nbn:de:bsz:93-opus-29897 (6.7 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: eeab93f45b46b8af460fa7468436d187
Created on: 06.03.2007


Heimsheim: Jost-Jetter Verlag, 2007, 144 pp.
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2006
IPA-IAO Forschung und Praxis, 451
ISBN: 3-939890-04-9
ISBN: 978-3-939890-04-1
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IPA ()
Assistenzroboter; robot assistant; Mensch-Roboter-Kooperation; Roboter; Handhaben; Fertigung; Bearbeiten

Abstract
Bestehende Vorrichtungen zur Unterstützung manueller Handhabungs- und Bearbeitungsprozesse sind i.d.R. für eine spezifische Aufgabenstellung bestimmt und zeigen aus diesem Grund besonders bei kleinen Stückzahlen oder großer Variantenvielfalt ein großes Automatisierungspotenzial auf. Ein Ansatz zur Nutzung dieses Potenzials ist der Einsatz von Robotern zur orts-, aufgaben- und benutzerspezifischen Bahnführungsunterstützung. Ziel dieser sog. Assistenzroboter ist die arbeitsteilige Ausführung der Bearbeitungs- bzw. Handhabungsaufgabe mit dem Menschen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, grundlegende Erkenntnisse über die Bahnführungsunterstützung von manuellen, industriellen Bearbeitungs- und Handhabungsprozessen mit einem Roboter zu erarbeiten und auf dieser Grundlage Verfahren und Methoden zur benutzer- und aufgabenangepassten Steuerung von stationären und mobilen Assistenzrobotern zur Bahnführungsunterstützung zu entwickeln.
Durch die Entwicklung eines Verfahrens zur Bewegungssteuerung des Positioniersystems zur Bahnführungsunterstützung steht eine Strategie zur Steuerung verschiedenster mobiler, insbesondere auch nicht-holonomer, Plattformen zur Verfügung. Mit diesem Verfahren ist es möglich, das Positioniersystem autonom während der Bahnführungsunterstützung einer gegebenen Bahnführung zu steuern. Dieses Verfahren konnte in einer Reihe von Simulationen getestet und verifiziert werden.
Ein Verfahren zur Bewegungssteuerung eines Manipulatorarms zur benutzer- und aufgabenspezifischen Unterstützung von Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelt. Damit wird ein praxisnahes und schnelles Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem trotz der großen Zahl möglicher Einflussfaktoren, wie Umgebungsbedingungen, Robotersystem, Benutzer und Aufgabenstellung, eine Aufgabe in geforderter Qualität mit der roboterbasierten Bahnführungsunterstützung ausgeführt werden kann. Die erarbeiteten Assistenzfunktionen konnten in einer Reihe von Robotersystemen und Aufgabestellungen verifiziert werden und decken die analysierten Aufgabenstellungen ab.

 

Existing devices assisting manual handling and machining processes are normally designed for a specific task and show a need for increased flexibility and automation especially for small lot sizes or products with many variants. An approach to use this potential is to apply robots to assist in the execution of task trajectories depending on the location, the process and the user. The aim of these robot assistants is to divide the labour of a handling or machining process between a human and the robot.
The intention of this work was to gain substantial insights on the trajectory assistance of manual handling and machining processes to aid in developing methods and techniques for a user and task flexible control of stationary and mobile robot assistants.
The developed procedure for controlling the motion of the trajectory assistance's positioning system provides a strategy for controlling several mobile, also non-holonomic, platforms. With this control mechanism it is possible to control autonomously a mobile platform during the execution of a trajectory assistance. This procedure has been tested and verified through simulations in a implemented simulation-environment.
Furthermore a method for a user and task specific motion control of a manipulator was developed assisting handling and machining processes. A specific attribute of this procedure is the feasibility to control the motion of the manipulator in a fast and practical way inspite of large numbers of influencing factors such as environmental conditions, robot system, user and task while still achieving a defined quality. The developed assistance functions were verified with several robot systems and task configurations while covering the defined requirements. The results of the experiments of the robot based trajectory assistance showed the potential of the developed methods and procedures for an industrial use.

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0 Abkürzungen und Formelzeichen S.14
1 Einleitung S.20
- 1.1 Problemstellung S.20
- 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise S.21
2 Ausgangssituation S.23
- 2.1 Begriffe und Definitionen S.23
- 2.2 Stand der Technik von Vorrichtungen zur Bahnführungsunterstützung von Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen S.25
- 2.3 Stand der Technik und Forschung der Unterstützung von Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen durch Roboter S.25
- 2.3.1 Mobile Manipulatoren S.25
- 2.3.2 Medizinische Assistenzroboter S.27
- 2.3.3 Cobots und Roboter zur direkten Handhabungsunterstützung S.28
- 2.3.4 Bestehende Assistenzrobotersysteme S.28
- 2.4 Technologien, Verfahren und Methoden zur Umsetzung roboterbasierter Bahnführungsunterstützung S.30
- 2.4.1 Sicherheitskonzepte für die direkte Mensch-Roboter-Kooperation S.30
- 2.4.2 Physische Kooperation zwischen Mensch und Roboter S.32
- 2.4.3 Programmierung und Mensch-Roboter-Interaktion S.33
- 2.4.4 Verfahren und Methoden zur Platzierung von Robotern S.34
- 2.5 Folgerungen aus dem Stand der Technik und Forschung S.35
- 3.1 Potenzial für den Einsatz von Assistenzrobotern bei der Automatisierung von Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen S.37
- 3.2 Analyse zu unterstützenden Bahnführungsaufgaben S.39
- 3.2.1 Identifizierung geeigneter Fertigungsverfahren zur roboterbasierten Bahnführungsunterstützung S.39
- 3.2.2 Bahneigenschaften der zu unterstützenden Handhabungs- und Bearbeitungsprozesse S.39
- 3.2.3 Ermittlung von Assistenzfunktionen zur roboterbasierten Bahnführungsunterstützung der identifizierten Handhabungs- und Bearbeitungsprozesse S.41
- 3.2.4 Analyse von Einsatzszenarien S.44
- 3.3 Analyse von bestehenden nutzbaren Steuerungskonzepten und -architekturen von Robotern zur Bahnführungsunterstützung S.46
- 3.4 Analyse von Sicherheitsbestimmungen zur roboterbasierten Bahnführungsunterstützung S.47
- 3.4.1 Richtlinien und Normen zur Ableitung von sicherheitsrelevanten Anforderungen an roboterbasierte Bahnführungsunterstützung S.47
- 3.4.2 Grenzwerte für die sichere physische Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter S.49
- 3.5 Folgerungen aus den Analyseergebnissen und Ableitung von Entwicklungsschwerpunkten S.50
- 3.6 Ableitung von Anforderungen an Systeme und Verfahren zur roboterbasierten Bahnführungsunterstützung von Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen S.52
- 3.6.1 Definition von Teilfunktionen und Zuordnung zu Teilsystemen S.52
- 3.6.2 Anforderungen an das Gesamtsystem S.53
- 3.6.3 Anforderungen an das Handhabungs- und Positioniersystem S.53
- 3.6.4 Anforderungen an das Interaktionssystem S.54
- 3.6.5 Anforderungen an das Sensorsystem und die Prozessmodule S.54
- 3.6.6 Anforderungen an das Steuerungssystem S.55
- 4 Konzeption von Teil- und Gesamtsystemen zur roboterbasierten Bahnführungsunterstützung von Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen S.56
- 4.1 Konzeption alternativer Gesamtsystemvarianten S.56
- 4.2 Konzeption alternativer Varianten zum Handhabungs- und Positioniersystem S.58
- 4.3 Konzeption alternativer Varianten für das Interaktionssystem S.60
- 4.4 Konzeption von Steuerungsalternativen für das Handhabungssystem S.61
- 4.4.1 Konzeption der Steuerungsstruktur des Handhabungssystems S.61
- 4.4.2 Konzeption eines benutzerspezifischen Bewegungsfunktionsgerüsts für die roboterbasierte Bahnführungsunterstützung S.63
- 4.5 Konzeption der Bewegungssteuerung für das Positioniersystem S.65
- 4.5.1 Konzeption alternativer Bewegungsstrategien für das Positioniersystem S.65
- 4.5.2 Konzeption alternativer Lösungsvarianten für die Fahrstrategie einer nicht-holonomen, mobilen Plattform bei der roboterbasierten Bahnführungsunterstützung S.68
- 5 Entwicklung und Verifikation von Steuerungsverfahren zur roboterbasierter Bahnführungsunterstützung für industrielle Handhabungs- und Bearbeitungsprozesse S.69
- 5.1 Ermittlung von Einflussgrößen und grundlegende Zusammenhänge S.69
- 5.2 Modellierung des Bewegungspotenzials des roboterbasierten Bahnführungsunterstützungssystems S.70
- 5.3 Entwicklung eines Verfahrens zur Bewegungssteuerung einer mobilen Plattform für die roboterbasierte Bahnführungsunterstützung S.71
- 5.3.1 Herleitung eines Plattformbewegungsablaufs beim entwickelten Verfahren zur Bewegungssteuerung bei der Bahnführungsunterstützung S.71
- 5.3.2 Ermittlung des durch das Handhabungssystem bestimmten Bewegungspotenzials der roboterbasierten Bahnführungsunterstützung S.75
- 5.3.3 Bestimmung des Bewegungspotenzials der mobilen Plattform anhand von Sicherheitskriterien, Umgebungsbedingungen und nicht-holonomen Bewegungseinschränkungen S.83
- 5.3.4 Ermittlung des Plattformbewegungsraums für eine optimale Plattform-Manipulator-Konfiguration S.93
- 5.3.5 Ermittlung von Plattformpositionen zur Ermöglichung langer Plattformstillstandsintervalle S.95
- 5.4 Entwicklung eines Verfahrens zur Bewegungssteuerung eines Handhabungsystems zur benutzer- und aufgabenspezifischen Unterstützung von industriellen Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen S.96
- 5.4.1 Entwicklung eines Funktionsgerüst für die Bewegungssteuerung zur roboterbasierten Bahnführungsunterstützung S.96
- 5.4.2 Bestimmung der Grenzen der Bahnführungsunterstützungsparameter S.99
- 5.5 Implementierung der Berechnungsverfahren und Verifikation an ausgewählten Szenarien S.100
- 5.5.1 Simulation "AssistanceSim" S.100
- 5.5.2 Berechnungsergebnisse und Verifikation S.103
- 5.6 Folgerungen S.106
- 6 Realisierung einer Gesamtsystemvariante ?Mobiler Manipulator? und Erprobung am Beispiel eines Szenarios zum bahnführungsunterstützten Mehrlagenschweißen S.108
- 6.1 Gesamtaufbau des Assistenzrobotersystems rob@work S.108
- 6.2 Umsetzung eines Assistenzbaukastens zur roboterbasierten Bahnführungsunterstützung von Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen S.113
- 6.3 Prozessablauf in der Versuchsanlage S.115
- 6.4 Erprobung des Verfahrens zur Bewegungssteuerung eines Manipulatorarms zur benutzer- und aufgabenspezifischen Unterstützung von Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen S.117
- 6.5 Erprobung des Verfahrens zur roboterbasierten Bahnführungsunterstützung bei mitbewegter mobiler Plattform am Beispiel eines Szenarios zum Schutzgasschweißen S.119
- 6.5.1 Werkstück und Nahtgeometrie S.119
- 6.5.2 Berechnungsergebnisse zur Plattformsteuerung S.119
- 6.5.3 Mit dem Verfahren zur Plattformsteuerung erzeugte Plattformbahnen S.122
- 6.5.4 Schweißergebnis S.125
- 6.5.5 Berechnungs- und Prozesszeiten S.125
- 6.5.6 Fehlerhäufigkeiten und Störungen S.126
- 6.6 Erkenntnisse und Folgerungen S.127
- 7 Zusammenfassung und Ausblick S.129
- 8 Summary S.132
- 9 Literatur S.134