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Fakultät für Maschinenbau
Institut für Füge- und Montagetechnik
Professur Montage- und Handhabungstechnik
Prof. Dr.-Ing. Maik Berger
Leiter der Professur: Prof. Dr.-Ing. Maik Berger, 09107 Chemnitz, Sitz: Reichenhainer Straße 70, Rühlmann-Bau, Raum A219
Ansprechpartner: Philipp Wabnitz, M.Sc., Tel.: +49 (0) 371 / 531-33303, Email: philipp.wabnitz@mb.tu-chemnitz.de
Weitere Informationen unter www.tu-chemnitz.de/mb/MHT
PAROHA: Konzeptstudie eines Parallelkinematik-Roboter-Handgelenks für spezifische Handhabungsaufgaben
Philipp Wabnitz, Andreas Heine, Liang Chen, Carsten Teichgräber, Maik Berger
Steuerung des hybriden
Robotersystems
Die Steuerung eines hybriden
Robotersystems stellt aufgrund der
Komplexität des Zusammenspiels mehrerer
Systeme eine große Herausforderung dar.
Entscheidend ist dabei die Integration von
passenden Kommunikationsschnittstellen.
Um den Konzeptaufbau möglichst einfach zu
halten, wurde auf ein Elektronik-
Baukastensystem zurückgegriffen. Dies
ermöglichte ein schnelles Prototyping des
Systems.
Zielstellung seriell
Iterationen des Handgelenks angeschlossen
an einen UR5 der Fa. Universal Robots
a) PAROHA I mit EMAX ES09MD
b) PAROHA II mit Graupner DES707BBMG
Intuitive Bedienung mittels
a) Controllersteuerung (mit Xbox 360
Controller der Fa. Microsoft)
b) Handgestensteuerung (mit Leap
Motion der Fa.Leap Motion)
ab
a
b
ab
PAROHA II an UR5 beim Pick&Place-Vorgang
a) Stacking der Bauteile als schnelle, PAROHA
geeignete Teilaufgabe des Montageprozesses
b) Aufnahme der Baugruppe als UR5 geeignete
Teilaufgabe unter Ausnutzung des großen
Arbeitsraums des seriellen Roboters
parallel
PAROHA: Parallelkinematik-
Roboter-Handgelenk
Ziel der vorliegenden Konzepterarbeitung
sollte nun ein funktionsfähiges Modell eines
Roboterhandgelenks sein, welches die
Nachteile im dynamischen Verhalten
kollaborierender Roboter ausgleicht. Hierbei
müssen zwangsläufig Parameter wie das
maximal zulässige Gewicht am Endeffektor
eingehalten werden, weswegen auf eine
möglichst leichte Struktur geachtet wurde.
Aufgrund der Verwendung einer
Parallelkinematik bezeichnen wir dieses als
Parallelkinematik-Roboter-Handgelenk, oder
kurz:
PAROHA
Servomotoren und Komponenten aus dem
Modellbaubereich führen zu kleinen
Abmessungen und einem geringen Gewicht.
Der Druck der meisten Bauteile im FDM-
Verfahren ermöglicht dabei:
Verwendung von Leichtbaustrukturen
Adaption für andere Roboterschnittstellen
Baukastensystem der Fa. Tinkerforge
Masterbrick: Kommunikation mit dem PC
Servobrick: Regelung der Servomotoren
über Pulsdauermodulation
Digital-Eingabe- und Ausgabe-Bricklets:
Kommunikation mit dem UR5
Abmessungen
+
!
Hybride Roboter im MRK-Kontext
Kommerziell erhältliche kollaborierende
Robotersysteme verfügen über eine serielle
kinematische Struktur. Diese bietet zwar
große Arbeitsräume, verringert jedoch die
erreichbare Steifigkeit und Geschwindigkeit.
Dies wirkt sich nachteilig bei
Handhabungsaufgaben aus, welche mit
kurzen, schnellen Bewegungen ausgeführt
werden können. Einen Lösungsansatz
könnten hierbei parallelkinematische
Handgelenke darstellen, welche diese
Nachteile serieller Strukturen ausgleichen.
Die Kombination von zwei Robotern zu
einem Gesamtsystem bezeichnet man als
hybrider Roboter.
Konzeption
Steuerung
Versuche
Vergleich der
Servomotoren
PAROHA
I
Emax
ES09MD
PAROHA II
Graupner
DES707
Maße
[mm]
12 x 24.5 x 23
19.5 x 39 x 40
Stellzeit
0.08 s/60
°
0.21 s/60
°
Haltemoment
25
Ncm
303
Ncm
Stellmoment
15
Ncm
150
Ncm
?
Zonen des Versuchsaufbaus:
(1) Pick&Place-Zone
(2) Transferzone
(3) Menschlicher Arbeitsraum
(4) Ablagezone
Die Zonenaufteilung dient dem
Schutz des Arbeiters, wobei der
kollaborierende Roboter sich nicht in
dessen Arbeitsbereich bewegt.
Fähigkeitsuntersuchungen
Um die Funktionsfähigkeit des Systems zu
untersuchen, wurde ein Versuchsaufbau für
ein MRK-Szenario entwickelt. In diesem wird
eine Baugruppe mithilfe des PAROHA
zusammengesetzt und anschließend zu
einem menschlichen Arbeiter transportiert.
Nachdem dieser die Baugruppe montiert hat,
wird diese in eine Ablagekiste gelegt. Dieser
Versuchsaufbau verwendet sowohl die
schnellen Pick&Place-Fähigkeiten der
Deltastruktur als auch den großen
Arbeitsraum der seriellen Kinematik des
UR5. Es konnte gezeigt werden, dass die
Verwendung eines Hybridsystems Vorteile
gegenüber herkömmlichen Varianten bietet,
wenngleich die Leistung des Systems
aufgrund von fehlenden Sicherheits-
mechanismen begrenzt ist.
MRK-Arbeitsplatzgestaltung mit PAROHA II am
Beispiel des realen Versuchsaufbaus
hybrid und kollaborierend
Eigenschaften:
bietet großen Arbeitsraum
ermöglicht hohe Redundanz
besitzt große Trägheit
Eigenschaften:
ermöglicht hohe Geschwindigkeit
bietet große Stabilität
besitzt kleinen Arbeitsraum
Fragestellungen:
Wie lässt sich ein solches System
programmieren und steuern?
Wie kann ein kollaborierender
Betrieb aussehen?
+
Steuerungsschema für eine halbautomatische Handhabungsaufgabe
1. Der UR5und das PAROHA werden entsprechend der Handhabungsaufgabe
wegpunktgesteuert programmiert
2. Der Mensch schaltet den Zustand des Programms manuell weiter und behält
somit die Kontrolle über den Prozess (halbautomatisch)
3. Erreicht der UR5den vorgesehenen Wegpunkt, wird das Programm des
PAROHA ausgeführt
?
Programmierung
UR5 und PAROHA
Vorgabe der
TCP-Position
Inverse
Kinematik
Pose
(Winkel)
Servomotoren
Positionsregelung
Greifer aktuieren
Zustand schalten
Computer PAROHA
Wegpunkt anfahren
Zustand melden
UR5
Mensch
Programmdurchlauf
beendet
Programmdurchlauf
beendet
Problemstellung:
Es wird ein parallelkinematisches
Handgelenk für einen hybriden
Roboteraufbau benötigt.
Kommerziell ist derzeit allerdings
kein System mit entsprechenden
Eigenschaften verfügbar.
Aufgabe:
Konzeption, Fertigung, Aufbau,
Steuerung und Programmierung
eines solchen Roboter-
handgelenks.
+
!
+

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