Table Of ContentFachberichte
Messen · Steuem · Regeln
Herausgegeben von M. Syrbe und M. Thoma
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Sehr fortgeschrittene
Handhabungssysteme
Ergebnisse und Anwendung
Herausgegeben von P.-J. Becker
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York Tokyo
Wissenschaftlicher Heirat:
G. Eifert, D. Ernst, E. D. Gilles, E. Kollmann, B. Will
Herausgeber:
Priv.-Doz. Dr. Peter-Joachim Becker
Fraunhofer-Institut fUr Informations
und Datenverarbeitung IITB
Sebastian-Kneipp-StraBe 12114
7500 Karlsruhe 1
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Sehr fortgeschritt1:ne Handhabungssysteme:
Ergebnisse u. Anwendung 1 hrsg. von Peter-Joachim Becker. -
Berlin; Heidelberg; New York; Tokyo: Springer, 1984.
(Fachberichte Messen, Steuem, Regeln; 9)
NE: Peter-Joachim Becker IHrsg.]; GT
ISBN-l3 :978-3-540-l3594-4 e-ISBN -l3 :978-3-642-82315-2
DOl: 10.1007/978-3-642-82315-2
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© by Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1984
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bereehtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nieht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne
der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von
jedermann benutzt werden diirften.
2060/3020/543210
Vorwort des Herausgebers
Das ErschlieBen neuer Einsatzgebiete fUr I~dustrieroboter setzt
nicht zuletzt Fortentwicklungen auf den Gebi~ten Steuerung/Programmie
rung, Regelungstechnik und Sensorik voraus. Zum Erreichen fortgeschrit
tener, praxisbezogener Ergebnisse ist hierbei das Zusammenwirken von
Roboter-Herstellern, -Anwendern und wissenschaftlichen Instituten
sowie die UnterstUtzung des Bundesministeriums fUr Forschung und
Technologie zur Abdeckung der mit neuen Technologien verbundenen
Risiken notwendig.
Das Projekt "Sehr fortgeschrittene Handhabungssysteme", das das
Fraunhofer-Institut fUr Informations- und Datenverarbeitung (IITB),
Karlsruhe, zusammen mit dem Fraunhofer-Institut fUr Produktionstechnik
und Automatisierung (IPA), Stuttgart, in Zusammenarbeit mit verschiede
nen Industrieformen bearbeitete, hatte zum Ziel, neue LHsungen auf
den oben genannten Gebieten zu finden und in die Praxis umzusetzen.
1m vorliegenden Band sind die wisse~schaftlichen Ergebnisse bei Pro
jektende zusammengestellt; er erganzt den Band 4 der Fachberichte
"Messen, Steuern, Regeln" des Springer-Verlages, in dem Zwischenergeb
nisse des Projektes vorgestellt wurden. Die praktische Relevanz der
Ergebnisse zeigt sich schon an dem bisherigen Umfang der angelaufenen
Umsetzung in die industrielle Praxis durch Lizenzvergaben sowie durch
Technologietransfer, insbesondere auch an mittlere Unternehmen Uber
Entwicklungsvorhaben von Steuerungen und Uber den Entwurf aufgaben
angepaBter Regelungsverfahren.
Auch das vor allem fUr kleinere und mittlere Unternehmen wichtige
schnelle Umsetzen des erarbeiteten Know hows in verkaufsfahige Produkte
konnte an einem Beispiel demonstriert werden: Zwischen der Au~tragser
teilung fUr die Erweiterung einer bestehenden Punkt-zu-Punkt-Roboter
Steuerung zu einer Bahnsteuerung und dem Verkauf des fertigen Systems
an den Endkunden vergingen weniger als sechs Monate. Weitere Vorhaben
mit Industriefirmen, in denen die Ergebnisse dieses Projektes umgesetzt
werden, sind zum Teil schon abgeschlossen, zum Teil in der Bearbeitung
oder Projektierung.
Unser besonderer Dank gilt den Projekttragern HdA und PFT, die die
FHrderung des Projektes im Auf trag des Bundesministeriums fUr Forschung
und Technologie begleiteten (FHrderkennzeichen 01 VV027-Zk-TAP0010
und ab 01.07.79 02 VV027, KA-SYR/22). Durch ihr besonderes Engagement
haben sie geholfen, das Projekt auch Uber kritische Phasen hinwegzu
fUhren und dieindustrielle Umsetzung der Ergebnisse einzuleiten.
Die Firma KUKA stellte dankenswerterweise zur Demonstration der
Sensoranwendung "Griff in die Kiste" und fUr den Anwendungsfall
"PrKzisionsbearbeitung von GuBteilen" geeignete Industrieroboter
mietfrei zur VerfUgung. Nicht zuletzt sei den Mitarbeitern des IITB
und des IPA fUr ihren Einsatz herzlich gedankt, der den Erfolg des
Projektes erst ermoglicht hat. Oem Springer-Verlag gilt unser Dank
fUr die Moglichkeit, die Ergebnisse in der vorliegenden Form einer
breiteren Uffentlichkeit zugKnglich zu machen.
Karlsruhe, im Sommer 1984 P.-J. Becker
INHALTSVERZEICHNIS / CONTENTS
SYSTEM UND DESSEN GRUNDLAGEN / SYSTEM AND ITS FUNDAMENTALS
Ziele und Ergebnisse des Projektes "Sehr fortgeschrittene
Handhabungssysteme"
(Aims and Results of the Project "Very advanced Industrial
Robots")
Becker, P.-J.; Syrbe, M.
STEUERUNG UND REGELUNG / CONTROL
Einsatz regelungstechnischer Verfahren fur typische Roboter-
anwendungen
(Introduction of closed-loop control techniques for typical
robot applications)
Kuntze, H,-B.; Patzelt, W. 7
Regelungsalgorithmen fur Industrieroboter - eine Obersicht
(Control Algorithms for Industrial Robots)
Kuntze, H.-B. . ..................•....................... 32
Fortgeschrittene und Programmierung von Roboter
Ger~testruktur
steuerungen und -regelungen
(Advanced Hardware and Software of Robot Control Systems)
Meisel, K. -H. . .......................................... . 59
Verfahren zur Steigerung der Zuverl~ssigkeit und Sicherheit
von Industrierobotern
(Methods to Improve the Reliability· and Safety of Industrial
Robots)
Kuntze, H.-B.; Schill, W. 77
Bildschirmorientierte Programmierung von Industrierobotern
(~ideo screen aided programming of industrial robots)
Becker, P.-J.; Meisel, K.-H. . .......................... . 97
SENSOREN / SENSORS
und Grenzen optischer Verfahren zur
Leistungsf~higkeit
externen Positionsvermessung von Handhabungssystenen
(Optical methods far external position-measurement of
industrial robots)
Zi mme rmann, G. . ........................................ . 104
Ext.e rue :3 D~ Me s su.ng. ... aIl-, In.d.urtr..ieLQh.o.te411 du.ra
Laser-Triangulation
(External 3D-Position Measurement of Industrial Robots by
Laser-Triangulation
Bolle, H.; Rosler, H.-J. 118
Arbeitsraumuberwachung beim Industrieroboter durch auto
matische Bildverarbeitung
(Image processing for surveillance of industrial robot
workrooms)
Haass, U. L. 130
Erweiterung der Einsatzmoglichkeiten von Industrierobotern
durch Sensoren und taktile Greifer/Sensorsystme
(Increasing the Possibilities for the Applications of Industrial
Robots with Sensors and Tactile Gripper/Sensor Systems)
Abele, E.; Haaf, D.; Spingler, J.; Wanner, M.C.; Schmidt, U. 146
ANWENDUNGEN / APPLICATION
Aufgabenspezifische Probleme und Losungen beim Einsatz eines
Industrieroboters zum Bearbeiten komplexer Gu~stahl-Oberflachen
(Problems and solutions by the use of a Robot as a machine
tool)
Becker, P.-J. 185
Anwendungs- und steuerungsangepa~tes Einlernen, Abspeichern
und Berechnen von Frasbahnen
(Teaching Recording and Computing of Cutting Trajectories
Adapted for Specific Applications and Control Systems)
Salaba, M.; Schill, W. . ................................ . 197
Ziele und Ergebnisse des Projektes
"Sehr fortgeschrittene Handhabungssysterne"
Aims and Results of the Project
"Very advanced Industrial Robots"
P.-J. Becker, M. Syrbe
Fraunhofer-Institut fUr Infor~ations- und Datenverarbeitung (IITB)
7500 Karlsruhe
Su~mary
The goal of this project was the development of new methods for the
control, feedback control and program~ing of industrial robots as well
as of optical and tactile sensors. These form the basis for new and
advanced applications of 3rd generation industrial robots. The methods
have been implemented on ~ulti-rnikroprocessor-syste~s and demonstrated
in combination with the sensors on some prototype applications: gripping
of non-ordered parts from a fast noving conveyor belt and milling of
~omplex surfaces ~n cast stainless steel parts with a robot.
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1. Zusammenfassung
Das mit Mitteln des BMFT durchgefUhrte Vorhaben "Sehr fortgeschrittene
Handhabungssysteme" hatte eine Laufzeit vom 01.08.1977 bis zum 31.12.'82.
Es wurde am Fraunhofer-Institut fUr Infornations- und Datenverarbeitung
(IITB), Karlsruhe, in Zusarnmenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut fUr
Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, durchgefUhrt.
Das Vorhaben ist gegliedert in eine erste Phase bis 15.04.1979 und
eine zweitePhase bis Mitte 1981. In einer dritten Phase bis Ende 1982
wurde ein industrieller Einsatzfall vorbereitet. Die beiden letzten
Phasen liefen in Abstimnung mit den Arbeiten der Arbeitsgemeinschaft
Handhabungssysteme.
1m Rahmen des Projektes wurden einerseits neue Verfahren zur Regelung,
Steuerung und Programmierung, andererseits optische und taktile Sen
soren fUr Industtieroboter entwickelt,die die Voraussetzung bilden fUr
die ErschlieBung neuer und anspruchsvoller Einsatzgebiete fUr Industrie
roboter der dritten Generation. Die Verfahren wurden auf Mehrrechner
Mikroprozessorsystemen implementiert und zusamnen mit den Sensoren an
an einigen prototypischen - Greifen von ungeordneten
Einsatzf~llen
Teilen von einem schnell laufenden Band, Fr~sen von komplex geformten
Edelstahl-GuBteilen mit einem Roboter - demonstriert.
Die Projektleitung am IITB hatten
bis 1979 Dr.E. Freund
nach Wegberufung von Professor Freund an die Fernuniversit~t Hagen
bis Sept. 1981 Dr. H. Steusloff
ab Sept 1981 Priv.-Doz. Dr.P.-J. Becker
2. Ziele und Ergebnisse
Das Hauptziel des Vorhabens war die Entwicklung sehr fortgeschrittener
Handhabun~ssystem~ zur ErschlieBung neuer Einsatzgebiete von Industrie
robotern.
Die wesentlichen Arbeitspakete waren
a) Anforderungsprofil an sehr fort~eschrittene HHS
b) Entwicklung von intelligenten Sensoren (optisch und taktil) und
Einbindung in die Steuerung
c) Entwicklung verbesserter Regelungs- und Steuerungsverfahren
d) BenutzerangepaBte Programmierung von IR durch bildschirmgestUtzte
Programmierung und Anpassung von Teach-in-Verfahren an komplexere
Aufgaben
e) Optimierung der Sicherheit und Zuverl~ssigkeit durch Antikollisions-
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und Oberwachungssysteme auch mit Bildwandler-Sensoren
f) 1nformationsverarbeitung in integrierten Systemen, d. h. Entwicklung
von Rechner- und Programmsystemen zur 1mplementierung der Steuerungs-,
Regelungs- und Sicherheitsverfahren mit externen Sensoren
g) Demonstration der industriellen Verwertbarkeit durch die Realisierung
prototypischer Einsatzfalle.
Das Projekt war gegliedert in drei Phasen:
1. Phase 08.77 bis 04.79
Erarbeiten von Grundwissen und Aufbereitung fUr die Projektziele
2. Phase 04.79 bis 02.81
Aufbau von Demonstrationsobjekten und Verbreiten der Erkenntnisse
3. Phase 03.81 bis 12.82
LabormaBiger Aufbau des industriellen Piloteinsatzes.
2.1 1. Phase - Grundlagen
Die Ergebnisse der ersten Phase wurden in einer 1. Zwischenprasentation
am 02./03.04.1979 einer breiteren Offentlichkeit vorgestellt. Die noch
stark auf das Erarbeiten von Basiswissen orientierten Arbeiten zu den
Arbeitspaketen a) - f) sind in einem Band des Springer-Verlages
"W~ge zu sehr fortgeschrittenen Handhabungssystemen" /1/ zusammenfassend
dargestellt.
2.2 2. Phase - Transfer zu Anwendungen
Die Einzelzielsetzungen andern sich naturgemaB in einem Projekt mit
einer Laufzeit von mehreren Jahren. So stand als Ziel~Anwendungsfall
zunachst das "Greifen von WerkstOcken an bewegten Hangebahnen mit 1R,
die Ober zwei oder mehr koordinierte Arme verfOgen". 1m Lauf der Arbei
ten zeigte sich, daB das"Greifen ungeordneter Teile von einem schnell
. .
laufenden Band" als Ziel-Anwendungsfall gr5Bere Praxisrelevanz besitzt,
Die Arbeiten in der zweiten Phase zielten auf eine Demonstration der
zuvor gewonnenen Erkenntnisse. So wurde in der 2. Zwischenprasentation
am 03.02.1981 an dem Demonstrationsobjekt "Greifen ungeordneter Teile
von einem schnell laufenden Band" wesentliche Ergebnisse zu den einzel
nen Arbeitspaketen vorgefuhrt. Fortschritte gegenOber dem Stand der
Technik wurden u. a. erzielt durch
- Bildwandler-Sensorsystem zur Analyse von Binarbildern. Spezielle
Hr.rdl'larekor::ponenten ir:: Sensor erh'.llben die schnelle Ausl'1ertung
e]~tren
konplexer Szenen ( w 100 ms).
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- Modulares taktiles Greifer/Sensorsysten mit nachgiebiger Aufhfngung
in sechs Achsen zur Automatisierung von Ftigevorgangen bei der Montage.
- Kopplung von intelligenten Bildwandler-Sensoren an eine Roboter
steuerung, mit denen der Roboter Bewegungen ausftihren kann, die vor
her nicht in Detail einprogrammiert sind.
- Entwicklung fortgeschrittener digitaler Regelungsverfahren basierend
auf der Methode der Entkopplung mit inversen System und unter Bertick
sichtigung unterschiedlicher praktisch relevanter Randbedingungen.
- Realisierung bildschirmgesttitzter Programnierung nit on-line Xnderung
eines Ablaufprogrannes.
- Aufbau einer Mehrrechner-Robotersteuerung mit schnellen Sensor-Reak
tionszeiten.
- Greifen verschiedener ungeordneter Teile yom Band nach Auswerten der
Sensorsignale bei Bandgeschwindigkeiten bis 0,6 mis, insbesondere
auch bei variablen Bandgeschwindigkeiten.
- Optische Erkennung und Ungehung von Hindernissen durch den Industrie
roboter auf der Basis eines Abstandspotentials um on-line erkannte
oder programmierte verbotene Zonen.
-Denonstration der Wirkungsweise taktiler Sensoren mit passiver Nach
giebigkeit.
Einzelheiten zu diesen Ergebnissen sind in den folgenden Bei tragen dieses
Bandes dargestellt.
2.3 3. Phase -Realisierung eines Einsatzfalles
Die Arbeiten in der 3. Phase zielten auf die Vorbereitung des industriel
len Einsatzfalles "Bearbeiten von Gu~rohlingen mit einen Roboter".
Die wesentlichen, tiber den Stand'der Technik hinausgehenden Ergebnisse
sind:
Erhohen der absoluten Positioniergenauigkeit eines gro~en Roboters
(KUKA IR 250) auf ca. ~ 0,1 mm durch zusatzliche Me~geber.
- Realisierung eines Regelungsverfahrens ftir elastische Roboter, mit
dem die Bewegungen mi t der geforderten Genauigkeit auch beim Auftreten
variabler Bearbeitungskrafte eingehalten wird unter Einbeziehen der
zusatzlichen Me~geber zur Messung der ~lastischen Verformung.
- Entwicklung eines aufgaben- und bedienerangepaBten Programmierver
fahrens mit Bedienerftihrung tiber Bildschirm.
Realisierung der Steuerung auf einen Mehrrechner-Mikroprozessorsystem
nit modularen Aufbau der Programme, die vollstandig in der hoheren
