Robotersteuerung mit online Bahnvorgabe durch Kraftsensorik und / oder Bildverarbeitung Friedrich Lange Institut für Robotik und Mechatronik, DLR Oberpfaffenhofen
Aufgabenbeschreibung Aufgabe: Ausführung einer programmierten Bahn mit sensorgestützter Bahnkorrektur, so dass nominelle Sensordaten gemessen werden
Gersthofen, 26. Januar 2005
Online Verarbeitung von Sensordaten 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Einleitung: Aufgabe, Anforderungen Struktur der Regelung mit Sensordaten Positionsregelung Kraftregelung Bildverarbeitung Zusammenfassung
F. Lange, DLR, 26.1.05
• Kraft-/Momentensensor • Bildverarbeitung • andere Sensoren
F. Lange, DLR, 26.1.05
Beispielaufgabe mit Kraft-/Momentensensor • Kraftregelung normal zur unbekannten Kontur • Geschwindigkeitsregelung tangential zur Kontur • Annahme wiederholter Ausführung der Bewegung
Beispielaufgabe mit Kamera • Horizontale Kreisbahn um die Roboter programmiert • Kabel (Position im Bild => radiale Bahnkorrektur) • Röhre (Position und Breite im Bild => radiale und vertikale Bahnkorrektur)
kontur_langsam_klein.avi
Visual Servoing an Linien
Konturverfolgung F. Lange, DLR, 26.1.05
F. Lange, DLR, 26.1.05
2. Struktur der Regelung mit Sensordaten Anforderungen für industrielle Roboteranwendungen: • Hohe Genauigkeit (unter 1 mm) • Schnelle Bewegung (über 1 m/s) • Standardkomponenten (Kosteneffizienz)
für Aufgaben wie z. B. Laserschneiden, Laserschweißen, Kleben, Löten
trotz
Trennung von Positionsregelung und (sensorgestützter) Bahnvorgabe Positionsregelung hängt vom Roboter ab (z.B. adaptive Regelung oder computed torque control) Bahnvorgabe hängt von der Aufgabe ab (z. B. gegebene Bahn, die in einzelnen Komponenten durch Sensordaten korrigiert wird)
Unsicherheit in Form und Lage der Teile und der Roboterbewegung
Idealer Roboter
aber mit • Bekannten Objekten • Bekannter Nominallage der Objekte • Bekannter Referenztrajektorie
F. Lange, DLR, 26.1.05
F. Lange, DLR, 26.1.05
1
Schnittstellen
Schnittstellen
Industrielle Sensorschnittstelle qc, qa
qa = qd Definition eines idealen Roboters oder (benötigt zukünftige Sollwerte)
Industrielle Sensorschnittstelle qc, qa
xa = xd
⇒ Vorsteuerung erforderlich ⇒ Berücksichtigung von externen Kräften
F. Lange, DLR, 26.1.05
qa = qd Definition eines idealen Roboters oder (benötigt zukünftige Sollwerte)
xa = xd
⇒ Vorsteuerung erforderlich ⇒ Berücksichtigung von externen Kräften
F. Lange, DLR, 26.1.05
3. Positionsregelung
• Verwendung des industriellen feedback Reglers • Zusätzlich linearer feedforward Regler (Vorsteuerung) • Adaption bei der Installation des Roboters
4. Kraftregelung Neuer Ansatz: ∆xa (k ) = ( Fr − F (k )) / E xs ( k ) = xa ( k ) + ∆xa (k )
xd (k ) = f ( xs (k ), xs( k − 1), xs (k − 2),..) (Glättung)
• Werkzeugspezifische Parameter • Prädiktive Schnittstelle: Zukünftige Sollwerte benötigt
Klassischer Ansatz: xc(k) = x (k − 1 ) + K c
(F (k)-F(k)) + K (F(k)-F(k-1))
p
r
d
ohne Verwendung von xa F. Lange, DLR, 26.1.05
F. Lange, DLR, 26.1.05
kontur_schnell_klein.avi
kontur_langsam_klein.avi
Aufnahme der Kontur: • Sollkraft: 10 N • Soll-Geschwindigkeit: 0,3 mm / Abtastschritt F. Lange, DLR, 26.1.05
Ausführung der ermittelten Bahn mit hoher Geschwindigkeit: • Geschwindigkeit entsprechend max. erlaubten Beschleunigungen • Bahn aus Sollbahn bei der Aufnahme F. Lange, DLR, 26.1.05
2
Bestimmung zukünftiger Sollwerte
5. Bildverarbeitung
•
Keine Prädiktion xd ( k + i ) = xd ( k )
•
Prädiktion durch Extrapolation ohne a priori Information über Form und Bewegung der Kontur
•
Bewegung und Linien ungefähr vertikal im Bild
•
Prädiktion durch Modell der Kontur (Referenzbahn) und der Bewegung der Kontur (z. B. feste Geschwindigkeit)
•
Horizontale Kantensuche (Halbbilder)
•
Darstellung der Linien durch Polynome ξ=f(η)
•
Nur 5 Punkte von jeder Linie (Position abhängig von Geschwindigkeit)
•
Kleines Window (nachgeführt)
• Prädiktion durch Messung zukünftiger Konturpunkte durch vorlaufende(n) Sensor(en)
F. Lange, DLR, 26.1.05
Bildauswertung
F. Lange, DLR, 26.1.05
Bestimmung der Solltrajektorie
Bestimmung der Solltrajektorie
• Sensierte Linie bzgl. Sollbahn = Nominelle Linie bzgl. Referenzbahn • Kameralage aus Gelenkwinkeln berechnet
- 1 Linie: Nur Bahnkorrektur von x bei bekanntem Abstand - 2 Linien: Räumliche Bahnkorrektur der Position (x und z) - Bahnkorrektur der Orientierung nur mit vollständigem Ansatz
F. Lange, DLR, 26.1.05
• Berechnung zukünftiger Punkte der Sollbahn • Darstellung der Sensorkorrekturen durch Polynome • Die Kenntnis der Kameralage zum Zeitpunkt der Aufnahme ist entscheidend, der Betrag der Verzögerungen spielt kaum eine Rolle • Daher werden die Orientierung der Kamera und die Verzögerung der Bildverarbeitung vor dem Experiment identifiziert • Die Regelung erfolgt durch den Idealen Roboter • 1 Bild reicht, sofern die Bahn den Bildbereich nicht verlässt F. Lange, DLR, 26.1.05
Anwendung
F. Lange, DLR, 26.1.05
grün: Window für Linienpunkt rot: Gefundener Linienpunkt blau: Sollwert für Linienpunkt
Regelung der Position in 3 dof
F. Lange, DLR, 26.1.05
3
Regelung der Position in der horizontalen Ebene Regelung von Position und Orientierung
F. Lange, DLR, 26.1.05
F. Lange, DLR, 26.1.05
Vergleichende Experimente Klassischer PD-Regler ohne Prädiktion
Positionsregelung ohne Vorsteuerung mit Prädiktion
Positionsregelung mit Vorsteuerung mit Prädiktion
Mittlerer Bildpunktfehler
35 Pixel
1,9 Pixel
1,3 Pixel
Maximaler Bildpunktfehler
63 Pixel
4,7 Pixel
3,6 Pixel
Mittlerer Bahnfehler
9,7 mm
0,8 mm
0,6 mm
Maximaler Bahnfehler
19,9 mm
2,4 mm
1,5 mm
ohne Prädiktion
F. Lange, DLR, 26.1.05
mit Vorsteuerung und Prädiktion
F. Lange, DLR, 26.1.05
Regelung mit Prädiktion durch Extrapolation
6. Zusammenfassung •
Schnelles und genaues Verfolgen von Linien ist möglich
•
Bildverarbeitung ist besser als taktile Sensorik
•
Stabilität wird nicht durch Zeitverzögerungen beeinflusst
•
Lage und Kalibrierung der Kamera so wie Verzögerung der Bildauswertung wird berücksichtigt
• Modular mit Standardkomponenten (kostengünstig) • Anwendbar für taktiles oder visuellles Tracking zum Kleben, Laserschneiden usw. und für pick-and-place Aufgaben und einfache Montageszenarien
F. Lange, DLR, 26.1.05
F. Lange, DLR, 26.1.05
4
Ausblick
• Berücksichtigung der Gelenkelastizität • Impedanzregelung • Kombination von Bildverarbeitung und Kraftregelung
www.robotic.dlr.de/Friedrich.Lange/
F. Lange, DLR, 26.1.05
5
