Beobachtergestützte dezentrale entkoppelnde Regelung von Robotern mit elastischen Gelenken:
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Düsseldorf
VDI-Verl.
1996
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|---|---|
| adam_text | Titel: Beobachtergestützte dezentrale entkoppelnde Regelung von Robotern mit elastischen Gelenken
Autor: Neumann, Rüdiger
Jahr: 1996
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 1
1.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung 2
1.2 Beschreibung des Rotex-Projekts der D-2 Mission 3
1.3 Aufbau des Rotex-Roboters 4
1.3.1 Besonderheiten des Roboters 5
1.3.1.1 Polgen für das Systemverhalten 5
1.3.1.2 Folgen für das Regelungskonzept 6
1.3.1.3 Folgen für die Reglerauslegung 7
1.4 Beschreibung des Versuchsroboters 7
1.5 Regelungskonzepte in der Robotik 8
2. Modellbildung 12
2.1 Modellbildung einer Gelenkeinheit 12
2.1.1 Aufbau des Rotex-Gelenks 12
2.1.1.1 Motor und Getriebe 12
2.1.1.2 Meßaufnehmer 13
2.1.2 Konstruktion und Aufbau des Paderborner Gelenks 13
2.1.2.1 Motor und Getriebe 15
2.1.2.2 Meßaufnehmer 16
2.2 Getriebeversuchsstand 17
2.2.1 Funktionsweise eines Harmonic-Drive Getriebes 18
2.2.2 Bestimmung der Federkennlinie 19
2.2.3 Bestimmung der Reibung 21
2.2.3.1 Temperaturabhängigkeit der Reibung 22
2.2.3.2 Lastabhängigkeit der Reibung 23
2.2.3.3 Winkelabhängige Störmomente 25
2.2.4 Antriebsmodell 28
2.2.4.1 Frequenzgangsmessungen 29
2.2.4.2 Messungen im Zeitbereich 34
2.2.4.3 Modellgleichungen des Gelenkes 38
2.3 Aufstellung eines Gesamtmodells mit Hilfe von Entwurfswerkzeugen
der Mechatronik 42
2.3.1 Modellbeschreibungssprache DSL 44
2.3.2 Mechanisches Modell 47
2.3.3 Verkopplung zum Gesamtmodell 50
2.3.4 Kurze Beschreibung der Analyse- und Synthesewerkzeuge 52
2.3.4.1 Parameteridentifikation durch Frequenzgangsanpassung 53
2.4 Folgerungen in Bezug auf die Regelung 57
2.4.1 Schlußfolgerungen aus dem Modell einer Gelenkeinheit 57
2.4.2 Schlußfolgerungen aus dem Gesamtmodell 58
3. Beobachterentwurf 59
3.1 Beobachtergestützte Regelungen in der Robotik 59
3.2 Prinzip der Störgrößenbeobachtung 60
3.2.1 Störbeobachtung ohne Störmodell 64
3.2.2 Störbeobachtung mit Integratorstörmodell 66
3.2.3 Störbeobachtung mit erweiterter Ausgangsgleichung 68
3.2.4 Bestimmung der Beobachterrückführverstärkungen 69
3.2.5 Vergleich der drei Verfahren zur Störbeobachtung 72
3.3 Störgrößenkompensation 77
3.3.1 Berechnung der statischen Kompensation 77
3.3.2 Berechnung des dynamischen Kompensationsfilters 78
3.4 Einsatz des linearen Beobachters an einer nichtlinearen Strecke 79
3.4.1 Parameterunterschiede zwischen Strecke und Beobachter 79
3.4.2 Kompensation von veränderlichen Streckenanteilen 81
4. Regelungsentwurf 85
4.1 Regelungsstruktur 85
4.1.1 Dezentrale Beobachter am Gesamtroboter 86
4.1.1.1 Entkoppelnde Wirkung durch dezentrale Beobachter 86
4.1.1.2 Dezentrale Beobachter mit Starrköpermodell 90
4.1.2 Zustandsvektorrückfuhrung 91
4.1.2.1 Stabilisierung und Schwingungsdämpfung 91
4.1.2.2 Simultane Auslegung von Beobachter- und Reglerrück¬
führung 92
4.1.3 Führungsgrößenaufschaltung 95
4.1.3.1 Form der Führungsgrößen 95
4.1.3.2 Berechnung der Aufschaltverstärkungen 96
4.1.3.3 Auswirkungen von veränderlichen Streckenparametern 98
4.2 Anwendung des Konzepts auf einen hydraulischen Portalroboter 102
5. Reglerrealisierang und Messungen 105
5.1 Reglerrealisierung am Paderborner Roboter 106
5.1.1 Experiment zur Führungsgenauigkeit 108
5.1.1.1 Messungen mit Greiferlast 109
5.1.1.2 Messungen ohne Greiferlast 111
5.1.2 Experiment zur dezentralen Entkopplung 113
5.1.3 Bewertung der Ergebnisse 116
5.2 Reglerrealisierung am Rotex-Roboter 118
5.2.1 Spezielle Regelungsstruktur 118
5.2.2 Auslegung der Regelung 120
5.2.3 Inbetriebnahme der Regelung 120
5.3 Datenanalyse und Regleroptimierung während der D-2 Mission 121
5.4 Messungen zu Experimenten während der D-2 Mission 122
5.4.1 Messungen mit ursprünglicher Regelung 123
5.4.2 Messungen mit nachoptimierter Regelung 125
5.4.3 Messungen bei geänderten Regler-und Beobachterstrukturen 126
5.4.4 Schlußfolgerungen aus den Rotex-Experimenten 129
6. Zusammenfassung und Ausblick 130
7. Anhang 133
AI: Konstruktion der Handachsen des Paderbomer Roboters 133
A2: Konstruktion des Rotex Gelenks 134
A3: Koordinatensysteme und Denavit-Hartenberg-Parameter des Rotex-
Roboters 135
A4: Dynamisches Modell des Rotex-Roboters 136
A4.1: Massenmatrixelemente des Rotex-Modells 136
A4.2: Modell in DSL-Darstellung 136
A5: Modelle der drei unterschiedlichen Störbeobachter 152
8. Literatur 159
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