Prototypbasiertes Skill-Modell zur Programmierung von Robotern für kraftgeregelte Montageprozesse

Abstract

Ausgehend von der Motivation, den Einsatz von Industrierobotern für Montageanwendungen zu erleichtern, wird in dieser Arbeit ein Skill-Modell zur Programmierung kraftgeregelter Montageprozesse konzipiert und demonstriert. Klassische Positions- und Bahnsteuerungen zielen auf das sequenzielle Anfahren abgespeicherter Zielpositionen mit hoher Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit ab. Sie stoßen jedoch bei vielen Montageprozessen an ihre Grenzen, die stattdessen eine definierte Regelung der Fügekräfte erfordern und eine große Anzahl von Produktvarianten abdecken müssen. Skill-basierte Methoden wie der in dieser Arbeit verwendete iTaSC Formalismus erlauben es hingegen, Positions-, Geschwindigkeits- und Kraftregelung zu vereinen und durch eine werkstückzentrierte Modellierung Programme leicht an Varianten anzupassen. Es stellt sich allerdings die Frage, wie auf Basis eines solchen Formalismus eine umfangreiche Skill-Bibliothek erstellt werden kann, mit deren Skills sich eine große Vielzahl an Montageprozessen effizient realisieren lässt. Das vorgestellte pitasc Skill-Modell wird daher als Baukastensystem entworfen. Die elementaren Bausteine, aus denen sich Skills zusammensetzen, werden in die Teilaspekte Hardwareabstraktion, kinematische Modellierung, Aufgabenspezifikation mit Reglern und Stoppbedingungen sowie Koordination der einzelnen Skills mittels Statecharts aufgeteilt. Da jeder Baustein nur einen der Teilaspekte modelliert, wird seine Wiederverwendung erleichtert. Um nicht jeden Skill von Grund auf neu zusammensetzen und parametrieren zu müssen, können Skills mittels Komposition und prototypbasierter Vererbung auf bestehenden Skills aufbauen und diese wiederverwenden und erweitern. Die Modellierung erfolgt dabei in einem generischen Parameterbaum, der es erlaubt, die Methoden der Parametrierung, Komposition und Vererbung auf alle Arten von Parametern gleichermaßen anzuwenden – vom einfachen String über Bausteine und Skills bis hin zu ganzen Anwendungen. Zur einfachen Modellierung wird eine domänenspezifische Sprache vorgestellt. Anhand von zehn exemplarischen Montageanwendungen wird gezeigt, dass bereits eine kleine Anzahl an Skills die Basis für eine Vielzahl von industriellen Anwendungsfällen bilden kann und es sehr einfach ist, weitere Skills mittels vorhandener Bausteine zu erstellen. Die erreichbare Robustheit wird ebenso untersucht wie die Abbildung von Produktvarianten über Parameter und die Unabhängigkeit der Skills von den eingesetzten Robotern, Sensoren und Greifern.

With the motivation to facilitate the use of industrial robots for assembly applications, this thesis designs and demonstrates a skill model for programming force-controlled assembly processes. Traditional point-to-point and continuous path control systems aim to move through a list of target positions with high speed and accuracy. However, they reach their limitations in many assembly processes, which instead require a precise control of the joining forces and the configurability to accommodate large numbers of product variants. Skill-based methods such as the iTaSC formalism used in this thesis, make it possible to combine position, velocity, and force control and to easily adapt programs to product variants through workpiece-centered modeling. The critical question arises as to how an extensive skill library can be created on the basis of such a formalism, allowing a broad range of assembly processes to be efficiently implemented. The presented pitasc skill model is therefore designed as a modular system. The elementary building blocks from which skills are composed, are separated into the aspects of hardware abstraction, kinematic modelling, task specification with controllers and stop conditions, as well as coordination of the individual skills using statecharts. Each building block models only one of the aspects, facilitating its reuse. In order to avoid having to compose and parameterize each skill from scratch, skills can be built on top of existing ones using composition and prototype-based inheritance, reusing and extending them. The modeling is carried out in a generic parameter tree, which allows the methods of parameterization, composition, and inheritance to be applied equally to all types of parameters, from simple strings, building blocks, and skills to entire applications. A domainspecific language is introduced for easy modelling. Using ten exemplary assembly applications, it is shown that even a small number of skills can form the basis for a variety of industrial applications and that it is very easy to create additional skills using existing building blocks. The achievable robustness is examined, as well as the mapping of product variants via parameters and the independence of the skills from the robots, sensors, and grippers in use.