Universität Augsburg: Steuern eines modularen und flexiblen Kabelroboters

Am Lehrstuhl Regelungstechnik der Universität Augsburg wird der Seilroboter MoCaRo (Modular Cable Robot) entwickelt. Er soll zukünftig als flexibles Handhabungssystem arbeiten, das sich zum Beispiel schnell in einer Fertigungshalle installieren lässt und dennoch mit hoher Dynamik und Präzision arbeitet. Dazu sind neue Kalibrier- und Regelalgorithmen erforderlich, die auf einem dynamischen Modell der Parallelkinematik aufbauen.

Freie Fahrt im Demonstrator

Der Demonstrator besteht aus einem Aluminiumprofil mit nach oben abgespannten Seilen, die einen Endeffektor im Raum bewegen können. Das Seil wird dabei über eine Kabeltrommel und eine Umlenkrolle geführt.

Der Arbeitsraum des Roboters umfasst einen Würfel mit einer Kantenlänge von 2,5 m. Die Seile werden durch Servomotoren der Firma Beckhoff angetrieben.

Steuerung über EtherCAT

Die Steuerung der Motoren zur Bewegung des Roboters erfolgt über die EtherCAT-Schnittstelle eines dSPACE SCALEXIO-Systems. Durch den Einsatz eines EtherCAT-Masters innerhalb des SCALEXIO-Systems ist es möglich, sowohl die Servomotoren als auch digitale und analoge Ein- und Ausgänge in Echtzeit anzusteuern. Um eine echtzeitfähige Regelung der Seile im Mikrometerbereich umzusetzen, ist es notwendig, je Motor einen 32-Bit-Drehgeber echtzeitfähig auswerten, um im Anschluss den Motor drehmomentbasiert ansteuern zu können.

Flexible Werkzeugkette

Die Entwicklung der Steuerungsalgorithmen erfolgte in MATLAB®/Simulink®. Die Auswertung und Visualisierung der Regelergebnisse wurde in dSPACE ControlDesk durchgeführt. Zusätzlich können die Messwerte automatisiert über eine XIL-API-Schnittstelle aufgenommen werden, um zum Beispiel skriptbasiert in MATLAB® die Seillänge einzustellen oder die Endeffektorposition zu messen. Die enge Zusammenarbeit von Hardware und Software gewährleistet ein schnelles Rapid Control Prototyping. Anpassungen im Simulink®-Modell können per Knopfdruck auf das System geladen und ausgeführt werden. Die Auswertung mit ControlDesk ermöglicht Rückschlüsse, die dann wiederum zu neuen Anpassungen im Simulink®-Modell führen können. Zudem lassen sich dem System weitere busbasierte Hardware-Komponenten flexible hinzufügen, um auf neue Entwicklungsaufgaben zu reagieren.

Durch die Einbettung des Leichtbau-Seilroboters in eine aktive Sensorik und Regelung auf Basis des SCALEXIO-Echtzeitsystems steht mit MoCaRo ein präzises, dynamisches und leicht zu erweiterndes Gesamtsystem zur Verfügung.

M. Sc. Marcus Hamann forscht am Lehrstuhl für Regelungstechnik in der Ingenieurinformatik der Universität Augsburg an der Entwicklung von Robotersteuerungen.