Institut für
Robotik und Prozessinformatik

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Offene PC-basierte Robotersteuerungssysteme

Projektbeschreibung


Das Institut für Robotik und Prozessinformatik beschäftigt sich seit Anfang der neunziger Jahre mit der Entwicklung von Robotersteuerungen. Herkömmliche Industriesteuerungen bieten unflexible Schnittstellen, die die Möglichkeit der Multisensorintegration erschweren bzw. meist unmöglich machen. Zur kartesischen Kraft-/Momentenregelung wird zum Beispiel eine sehr geringe Regelzykluszeit benötigt - nicht nur um gutes Regelverhalten zu erzielen, sondern vor allem um schnell auf Regelgrößensprünge (z.B. durch plötzlichen Hartkontakt mit der Umgebeung) reagieren zu können. Angefangen mit Transputer-basierten Architekturen, wurden für Roboter der Firma manutec offene Steuerungen wie sie in der Forschung erwünscht sind entwickelt. Die letzte Version ist eine rein PC-basierte Architektur, in der der Fokus auf der modular gestalteten Software liegt (MiRPA, Hybride Robotersteuerungsarchitekturen). Basierend auf den Erfahrungen mit diesem System, wurden nun völlig neue Systemarchitekturen für Roboter der Stäubli RX-Serie und TX-Serie entwickelt, um die hervorragenden mechanischen Eigenschaften mit einer offenen und flexiblen PC-Steuerungsarchitektur zu kombinieren und somit die Basis für gute Forschungsergebnisse zu schaffen.
Das folgende Bild zeigt unsere Robotersteuerungsarchitektur für die Stäubli TX-Serie. Sie basiert auf der Stäubli CS8c-Steuerung und dem Stäubli Low-Level-Interface (LLI).

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Offene Robotersteuerungsarchitektur basierend auf der Stäubli TX-Serie mit CS8c-Steuerung und Low-Level-Interface (LLI).


Seitdem leistungsstarke Mehrkern-Prozessoren erhältlich sind, kann unsere gesamte offene Robotersteuerung inklusive anspruchsvoller Sensordatenverarbeitung auf einem PC, der unter dem Echtzeitbetriebssystem QNX Neutrino läuft, integriert werden. Eine Architekturskizze unseres Systems ist in der untenstehenden Abbildung gezeigt. Im Gegensatz zu unserer offenen Steruerungsarchitektur für die Stäubli RX-Serie sind hier keinerlei Modifikationen an der Robotersteuerungs-Hardware nötig. Diese Eigenschaft ermöglicht es uns, unsere Steuerung ohne Aufwand mit praktisch jedem Stäubli TX Manipulator zu benutzen, der über das Low-Level-Interface verfügt. Dazu sind lediglich ein USB-Stick mit der Software für die CS8-Steuerung und ein PC mit dem Echtzeit-Betriebssystem QNX Neutrino nötig.

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Offene Robotersteuerungsarchitektur bestehend aus einer CS8-Steuerung, einem QNX PC und einem USB-Stick.


Im Folgenden wird unsere offene Steuerungsarchitekturen für Manipulatoren der Stäubli RX-Serie beschrieben. Das folgende Bild zeigt einen am Institut vorhandenen RX60 Manipulator bei der Ausführung eines Sensor-geführten Montageprozesses. Im Hintergrund des Bildes ist die Steuerung des Manipulators zu sehen. Das durch ein Schwenkarmsystem an den Steuerschrank gekoppelte Bedienterminal bietet dem Benutzer hervorragende Möglichkeiten zur manuellen Steuerung und zur Teach-In-Programmierung. Neben den wichtigsten Bedienelementen stehen ihm hier Touchscreen und Space Mouse zur Verfügung.

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Beispielaufbau für eine Kraft-geregelte Montageaufgabe.




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MMI mit Space Mouse.


Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt jedoch nicht in der Entwicklung einer Robotersteuerung mit komfortablen Bedieneigenschaften allein, sondern vielmehr auf der Offenheit der Schnittstellen, der Erweiter- und Skalierbarkeit, der Robustheit gegen äußere Störungen und besonders auf der Anforderung, den Einsatz von Sensorik völlig offen zu halten. Die oben erwähnten Möglichkeiten zur manuellen Steuerung und zur Teach-In-Programmierung bieten dafür nur die erforderliche Basis.

Sofern die Bestandteile der Originalsteuerung den Anforderungen genügen, wurden diese auch in der neuen Steuerung wieder verwendet. Im Wesentlichen ist hier die Leistungselektronik, d.h. Frequenzumrichter mit Zubehör, zu nennen. Zur Steuerung des Manipulators ist mindestens ein Steuerungs-PC notwendig. Eine Motion-Control-Karte stellt die Schnittstelle zu einer Anpassbaugruppe dar, die einerseits Geschwindigkeitssollwerte an die einzelnen Umrichter der Antriebe liefert und andererseits dem Steuerungsrechner die Positionen der einzelnen Gelenke zur Verfügung stellt. Des Weiteren sind I/O-Ports für weitere Peripherie in Verwendung (Bremsen, Umrichtersteuerung, Ventile etc.). Besonderes Augenmerk wurde darauf gelegt, dass der Steuerung zu jedem Zeitpunkt die absolute Position des Manipulators bekannt ist. Hierfür wurde eigens eine Baugruppe zur Positionsverfolgung entwickelt, die die absolute Position mit 13 Bit Genauigkeit über die serielle Schnittstelle an den PC überträgt. Um diese Funktionalität auch bei Netzausfall und Transport des Manipulators zu gewährleisten, wird die Verfolgungsbaugruppe bei Bedarf durch Bleiakkus gespeist. Die Kommunikation über die serielle Schnittstelle wird nur beim Einschalten des Roboters benötigt. Danach bezieht der Steuerungsrechner die Position über die Motion-Control-Karte.

Die erforderliche Bandbreite der Bauteile zur Signalanpassung zwischen PC und Antriebselektronik wurde vor der Entwicklung bestimmt, um zur Gewährung eines sehr gutes Dynamikverhaltens Signalqualitätsverluste und Signallaufzeiten möglichst gering zu halten. Die Schnittstellen am Steuerungsrechner sind derart offen, dass dem Benutzer völlig freisteht, wie er seine Softwarearchitektur gestaltet. Die zur grundlegenden Regelung des Roboters notwendigen Signale, sind lediglich die Geschwindigkeitssollwerte für die Antriebsregelung sowie die Positionseingänge.

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Schaltschrank der Robotersteuerung bestehend aus drei PC und der Leistungselektronik.


Die vorgeschlagene Architektur verwendet einen Gelenkpositionsregler und stellt diesen als Schnittstelle für weitere Softwareschichten zu Verfügung. Neben der Möglichkeit sämtliche Anwendungen (Positionsregler, hybrider Regler, Bahnplaner, Benutzeranwendung etc.) auf diesem einen Rechner zu organisieren, bietet es sich an, weitere Prozesse auf andere Rechner auszulagern und alle Rechner durch ein echtzeitfähiges Kommunikationssystem kommunizieren zu lassen. Dies führt zu deutlich höheren Regelfrequenzen und somit zu deutlich geringeren Reaktionszeiten, um auf Ereignisse kontrolliert zu reagieren. Es ist ein signifikanter Anstieg der Regelgüte zu verzeichnen.

Um zu dem anfangs erwähnten Ziel der Multisensorintegration nachzukommen, stellt das folgende Bild einen Vorschlag für eine Mögliche Architektur dar:

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Beispielhafte Steuerungsarchitektur mit drei PCs.


Weiterführende Informationen finden Sie in unseren Veröffentlichungen. Bei darüber hinausgehenden Fragen können Sie sich gern an Daniel Kubus wenden.

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