Modellbasierte Regelung mit nichtlinearen inversen Systemen und Beobachtern von Robotern mit elastischen Gelenken

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine modellbasierte Regelung für Roboter mit elastischen Gelenken entwickelt und experimentell erprobt. Das Ziel dieser Regelung ist die Optimierung der Roboterdynamik in Bezug auf das Schwingungsverhalten und die Bahngenauigkeit des Roboters. Dazu werden bei der Modellierung sowohl die Dynamik des Mehrkörpersystems als auch dynamische Effekte der Antriebsstränge in Form detaillierter, physikalisch motivierter Modelle berücksichtigt. Das Modell eines sechsachsigen Industrieroboter wird aufgestellt und die Parameter der Antriebsstränge identifiziert. Um die gewünschte Dynamik zu erreichen wird eine Regelungs strukturellen Freiheitsgraden eingesetzt. Diese benutzt in der Steuerung eine aufwändige, nichtlineare Inverse des Robotermoduls. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt deshalb auf der Berechnung von inversen Systemen , wofür eine leistungsfähige und effiziente Möglichkeit auf Basis der Indexreduktion von differential-algebraischen Gleichungssystemen vorgestellt wird, und auf der Analyse der Inversen des Robotermodells. Die Regelung erfolgt über Gelenkregler mit variablen Parameter und einen zentralen Beobachter. Es wird gezeigt, dass die Gelenke im Beobachter durch Verwendung von Beschleunigungssensoren weitgehend entkoppeln werden können, wodurch sich die Komplexität des Modells reduzieren lässt. Versuche an einem Industrieroboter belegen die Verbesserung des dynamischen Verhaltens und zeigen die praktische anwendbarkeit des entworfenen Reglers.