Kraftregelung

mini|Eine Roboterhand greift ein empfindliches Objekt, ohne es zu zerdrücken. Kraftregelung bezeichnet die Regelung der Kraft, mit welcher eine Maschine oder der Manipulator eines Roboters auf ein Objekt oder sein Umfeld einwirkt. Durch Regelung der Kontaktkraft können Beschädigungen an der Maschine sowie der zu bearbeitenden Objekte und Verletzungen beim Umgang mit Menschen verhindert werden. Bei Fertigungsaufgaben kann sie Fehler kompensieren und durch eine gleichmäßige Kontaktkraft Verschleiß reduzieren. Durch die Kraftregelung werden gleichmäßigere Ergebnisse erzielt als mit der ebenfalls in der Steuerung von Maschinen eingesetzten Positionsregelung. Kraftregelung kann als Alternative zur üblichen Bewegungsregelung eingesetzt werden, wird aber meist ergänzend eingesetzt, in Form von hybriden Regelungskonzepten. Die einwirkende Kraft wird für die Regelung üblicherweise über Kraftaufnehmer gemessen oder über den Motorstrom geschätzt.

Kraftregelung ist seit fast drei Jahrzehnten Gegenstand der Forschung und erschließt durch Fortschritte in der Sensorik und der Aktorik sowie neuen Regelungskonzepten zunehmend weitere Anwendungsbereiche. Kraftregelung bietet sich vor allem bei Kontaktaufgaben an, die der mechanischen Bearbeitung von Werkstücken dienen, wird aber auch in der Telemedizin, der Servicerobotik und der Abtastung von Oberflächen angewendet.

Zur Kraftmessung existiert Kraftsensorik, die in allen drei Raumrichtungen Kräfte und Drehmomente messen kann. Alternativ können die Kräfte auch sensorlos z. B. anhand der Motorströme geschätzt werden. Als Regelungskonzepte kommen die indirekte Kraftregelung durch Modellierung des Roboters als mechanischer Widerstand (Impedanz) und die direkte Kraftregelung in parallelen oder hybriden Konzepten zur Anwendung. Adaptive Ansätze, Fuzzy-Regler und maschinelles Lernen zur Kraftregelung sind aktuell Gegenstand der Forschung.

Allgemein mini|250px|Fehler bei der Bewegungsregelung (rot) im Gegensatz zur Kraftregelung (grün). Die Regelung der Kontaktkraft zwischen einem Manipulator und seiner Umgebung ist eine zunehmend wichtige Aufgabe im Umfeld der mechanischen Fertigung sowie der Industrie- und Servicerobotik. Eine Motivation für den Einsatz von Kraftregelung ist die Sicherheit für Mensch und Maschine. Aus unterschiedlichen Gründen können Bewegungen des Roboters oder von Maschinenteilen während des Ablaufs des Programmes durch Hindernisse blockiert sein. In der Servicerobotik können dies bewegliche Objekte oder Personen sein, in der Industrierobotik können Probleme bei kooperierenden Robotern, sich ändernden Arbeitsumfeldern oder einem ungenauen Umweltmodell auftreten. Ist bei der klassischen Bewegungsregelung die Trajektorie verstellt und damit ein Anfahren der programmierten Roboterpose(n) nicht möglich, wird die Bewegungsregelung die Stellgröße – in der Regel der Motorstrom – erhöhen, um den Positionsfehler zu korrigieren. Die Erhöhung der Stellgröße kann dabei folgende Auswirkungen haben: Das Hindernis wird beseitigt oder beschädigt/zerstört. Die Maschine wird beschädigt oder zerstört. Die Stellgrößenbeschränkungen werden überschritten und die Robotersteuerung schaltet ab.

Eine Kraftregelung kann dies verhindern, indem sie in diesen Fällen die maximale Kraft der Maschine regelt und damit Beschädigungen vermeidet bzw. Kollisionen frühzeitig erkennbar macht.

Bei mechanischen Fertigungsaufgaben führen Unebenheiten des Werkstücks bei einer Bewegungsregelung häufig zu Problemen. Wie in der nebenstehenden Abbildung zu sehen, führen Unebenheiten der Oberfläche dazu, dass das Werkzeug bei der Positionsregelung (rot) zu weit in die Oberfläche eindringt () oder den Kontakt zum Werkstück verliert (). Dadurch entsteht zum Beispiel beim Schleifen und Polieren eine wechselnde Krafteinwirkung auf Werkstück und Werkzeug. Hier ist eine Kraftregelung (grün) sinnvoll, da diese durch steten Kontakt zum Werkstück einen gleichmäßigen Materialabtrag gewährleistet.

Anwendung Bei der Kraftregelung lässt sich prinzipiell zwischen Anwendungen mit ausgeprägtem und Anwendungen mit potentiellem Kontakt unterscheiden. Von ausgeprägtem Kontakt spricht man, wenn der Kontakt der Maschine mit der Umwelt oder dem Werkstück zentraler Bestandteil der Aufgabe ist und explizit geregelt wird. Dazu zählen vor allem Aufgaben der mechanischen Verformung und Oberflächenbearbeitung. Bei Aufgaben mit potentiellem Kontakt ist die wesentliche Prozessgröße die Positionierung der Maschine oder ihrer Teile. Größere Kontaktkräfte zwischen Maschine und Umwelt kommen durch dynamische Umwelt oder ein ungenaues Umweltmodell zustande. Die Maschine soll in diesem Fall der Umwelt nachgeben und große Kontaktkräfte vermeiden.

mini|Industrieroboter beim Biegen von Metallblechen an der Abkantmaschine Hauptanwendungen der Kraftregelung sind heutzutage mechanische Fertigungsarbeiten. Dies bedeutet insbesondere Fertigungsaufgaben wie zum Beispiel Schleifen, Polieren und Entgraten sowie kraftgesteuerte Prozesse wie das kontrollierte Fügen, Biegen und Einpressen von Bolzen in vorgefertigte Bohrungen. Ein weiterer häufiger Einsatz von Kraftregelung ist das Abtasten unbekannter Oberflächen. Dabei wird über die Kraftregelung ein konstanter Anpressdruck in Normalenrichtung der Oberfläche eingestellt und der Abtastkopf über Positionsregelung in Oberflächenrichtung gefahren. Über die direkte Kinematik kann dann die Oberfläche in kartesischen Koordinaten beschrieben werden.

Weitere Anwendungen der Kraftregelung mit potentiellem Kontakt finden sich in der Medizintechnik und bei kooperierenden Robotern. Roboter, die in der Telemedizin, also robotergestützten medizinischen Operationen, eingesetzt werden, können über eine Kraftregelung Verletzungen wirksamer vermeiden. Zudem ist hier die direkte Rückkopplung der gemessenen Kontaktkräfte an den Bediener mittels eines Force-Feedback-Bediengeräts von hohem Interesse. Mögliche Einsätze hierfür reichen bis zu internetbasierten Teleoperationen.

Grundsätzlich ist Kraftregelung darüber hinaus überall dort sinnvoll einzusetzen, wo Maschinen und Roboter miteinander oder mit Menschen kooperieren, sowie in Umgebungen, in denen die Umwelt nicht exakt beschrieben ist oder dynamisch und nicht exakt beschreibbar ist. Dort hilft Kraftregelung, auf Hindernisse und Abweichungen des Umweltmodells eingehen zu können und Schäden zu vermeiden.

Geschichte Erste bedeutende Arbeiten zur Kraftregelung wurden 1980 von John Kenneth Salisbury an der Stanford University veröffentlicht.John Kenneth Salisbury: Active Stiffness Control of a Manipulator in Cartesian Coordinates. 19th IEEE Conference on Decision and Control, Dezember 1980. Er beschreibt darin ein Verfahren zur aktiven Steifigkeitsregelung, eine einfache Form der Impedanzregelung. Das Verfahren erlaubt allerdings noch keine Kombination mit einer Bewegungsregelung, sondern hier erfolgt in allen Raumrichtungen eine Kraftregelung. Die Position der Oberfläche muss also bekannt sein. Wegen der geringeren Leistungsfähigkeit der Robotersteuerungen dieser Zeit konnte die Kraftregelung nur auf Großrechnern ausgeführt werden. Damit wurde ein Reglertakt von ~100 ms erreicht.

1981 stellen Raibert und Craig eine bis heute bedeutende Arbeit zur hybriden Kraft-/Positionsregelung vor.M. H. Raibert, John Craig: Hybrid Position/Force Control of Manipulators. ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Juni 1981. Sie beschreiben darin ein Verfahren, bei dem mithilfe einer Matrix (Separationsmatrix) für alle Raumrichtungen explizit vorgegeben wird, ob eine Bewegungs- oder eine Kraftregelung verwendet wird. Raibert und Craig skizzieren dabei die Reglerkonzepte lediglich und nehmen sie als realisierbar an.

1989 stellt Koivo eine erweiterte Darstellung der Konzepte von Raibert und Craig vor.A. J. Koivo: Fundamentals for Control of Robotic Manipulators. Wiley & Sons, New York, USA 1989. Eine genaue Kenntnis der Oberflächenposition ist auch hier nach wie vor nötig, was die heute typischen Aufgaben der Kraftregelung, wie z. B. das Abtasten von Oberflächen, nach wie vor nicht erlaubt.

Die Kraftregelung ist in den letzten zwei Jahrzehnten Gegenstand intensiver Forschung und hat durch die Weiterentwicklung der Sensorik und der Regelungsalgorithmen große Fortschritte erzielt. Seit einigen Jahren bieten die großen Automationstechnikhersteller Software- und Hardwarepakete für ihre Steuerungen an, um eine Kraftregelung zu erlauben. Moderne Maschinensteuerungen sind in der Lage, in einer Raumrichtung echtzeitfähig mit einer Zykluszeit von unter 10 ms kraftzuregeln.Malik Cabaravdic: Beitrag zur Optimierung des Spanvolumens beim industrierobotergestützten Bandschleifen frei geformter Werkstücke. S. 110, Technische Universität Dortmund, Februar 2008.

Kraftmessung

Um den Kraftregelkreis im Sinne einer Regelung zu schließen, muss der Momentanwert der Kontaktkraft bekannt sein. Die Kontaktkraft kann dabei entweder direkt gemessen oder geschätzt werden.

Direkte Kraftmessung mini|150px|Folien-Dehnungsmessstreifen Der triviale Ansatz zur Kraftregelung ist die direkte Messung der auftretenden Kontaktkräfte über Kraft-/Momentensensoren am Endeffektor der Maschine beziehungsweise am Handgelenk des Industrieroboters. Kraft-/Momentensensoren messen dafür die auftretenden Kräfte über Messung der Verformung am Sensor. Die gebräuchlichste Art, Verformungen zu messen, ist die Messung mittels Dehnungsmessstreifen.

Neben den verbreiteten Dehnungsmessstreifen aus veränderlichen elektrischen Widerständen gibt es auch weitere Ausführungen, die piezoelektrische, optische oder kapazitive Prinzipien zur Messung verwenden. Sie werden in der Praxis allerdings nur für Sonderanwendungen eingesetzt. So können zum Beispiel kapazitive Dehnungsmessstreifen auch im Hochtemperaturbereich über 1000 °C eingesetzt werden.Vadym Rusin: (PDF; 4,5 MB). Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 2007.

Dehnungsmessstreifen werden so ausgelegt, dass sie innerhalb des Arbeitsraumes einen möglichst linearen Zusammenhang zwischen Dehnung und elektrischem Widerstand aufweisen. Darüber hinaus existieren mehrere Möglichkeiten, Messfehler und Störungen zu reduzieren. Um Temperatureinflüsse auszuschließen und die Messsicherheit zu erhöhen, können zwei Dehnungsmessstreifen komplementär angeordnet werden.

Moderne Kraft-/Momentensensoren messen sowohl Kräfte als auch Drehmomente in allen drei Raumrichtungen und sind mit nahezu beliebigen Wertebereichen erhältlich. Die Genauigkeit liegt üblicherweise im Promille-Bereich des maximalen Messwerts. Die Abtastraten der Sensoren liegen im Bereich von etwa 1 kHz. Eine Erweiterung der 6-achsigen Kraft-/Momentensensoren stellen 12- und 18-achsige Sensoren dar, die zusätzlich zu den sechs Kraft- beziehungsweise Drehmoment-Komponenten auch in der Lage sind, jeweils sechs Geschwindigkeits- und Beschleunigungskomponenten zu messen.

Sechs-Achsen Kraft-/Momentensensor mini|Ein Kraft-/Momenten-Sensor mit Messung in drei Kraft- und drei Drehmoment-Komponenten. In modernen Anwendungen werden häufig sogenannte Sechs-Achsen Kraft-/Momentensensoren eingesetzt. Diese werden zwischen Roboterhand und Endeffektor montiert und können sowohl Kräfte als auch Drehmomente in allen drei Raumrichtungen erfassen. Sie sind dazu mit sechs oder mehr Dehnungsmessstreifen (ggf. Dehnungsmessbrücken) ausgestattet, die Verformungen im Mikrometerbereich erfassen. Diese Verformungen werden über eine Kalibriermatrix in jeweils drei Kraft- und Drehmoment-Komponenten umgerechnet.

Kraft-/Momentensensoren enthalten einen digitalen Signalprozessor, der die Sensordaten (Dehnung) ständig parallel erfasst und filtert, die Messdaten (Kräfte/Momente) errechnet und über die Kommunikationsschnittstelle des Sensors zur Verfügung stellt.

Zu beachten ist dabei, dass die gemessenen Werte den Kräften am Sensor entsprechen und in der Regel noch über eine geeignete Transformation in die Kräfte und Drehmomente am Endeffektor bzw. Werkzeug umgerechnet werden müssen.