Force control of cable-driven parallel robots

Abstract

In this thesis, a relatively new class of robots which use cables instead of rigid links is investigated. As cable can transmit only pull forces, cable robots make high demands on the control. The cable robots investigated in this thesis have more cables than degrees-offreedom of the platform and, thus, belong to the class of redundant robots. The redundancy allows to tense the cables agairrst each other. A control approach for synchronaus control of the platform position and the cable forces is proposed. For this purpose, system identifications for dynamic models of the robot are carried out and the forward kinematics is expanded to deal with non-linear cable stiffness. The proposed approach for calculation of the desired cable forces allows for step-less adjustment of the internal tensions. The investigations show that with change of the internal tension the eigenfrequencies of the robot can be influenced by 15-30%. By choice of a minimal tension Ievel, the energy consumption of the robot can be decreased by up to 20% while the performance of the robot remains on the same Ievel. For the proposed control scheme, extensive investigations of the positional accuracy are carried out. As reference approach, the control assuming a rigid robot model without closed-loop control of the operational space position and cable forces is used. The two approaches delivered comparable results in the workspace centre. The position accuracy with a payload of 80 kg amounted to roughly 70 mm and 2.5°. Using the proposed controller at the workspace border, almost the same accuracy could be reached as weil, as the cables are kept under tension. For rnachining processes like grinding, the well-known hybrid position and force control approach is incorporated on a cable robot. With the control approach, the robot can apply a contact force in a programmable direction, while the platform can be position-controlled in the Iasting directions. For the human robot cooperation, an admittance controller is proposed. The platform simulates a virtual spring-mass-damper system which enables for the implementation of a virtual workspace. With the demonstrator, a bandwidth of 13Hz is reached.

In dieser Dissertation wird eine relativ neue Klasse von Robotern untersucht, die Seile zur Kraftübertragung einsetzt. Da Seile nur Zugkräfte übertragen, stellen die sogenannten parallelen Seilroboter hohe Anforderung an ihre Regelung. Die in dieser Arbeit zu Grunde gelegten Seilroboter besitzen mehr Seile als Bewegungsfreiheitsgrade der Plattform und zählen damit zur Klasse der redundanten Roboter. Die Redundanz erlaubt es, die Seile gegeneinander zu verspannen. In dieser Arbeit wird zunächst ein Ansatz zur Regelung der Plattformposition und eine synchrone Regelung der Seilkräfte vorgeschlagen. Hierzu werden auf Basis der elastischen Seile dynamische Modelle entwickelt und auch die Vorwärtskinematik erweitert. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren zur Berechnung der Seilkräfte lässt sich die interne Verspannung der Seile stufenlos einstellen. Die Untersuchungen zeigen, dass sich durch die Änderung der Vorspannung die Eigenfrequenzen der Plattform um 15-30% verschieben lassen. Durch die Wahl einer geringen Seilverspannung lässt sich der Energieverbrauch bei bleibender Leistung des Roboters um bis zu 20% senken. Zur Verifikation des Regelungskonzeptes wird die Positionsgenauigkeit des Roboters experimentell untersucht. Als Referenz dient die Steuerung des Roboters auf Basis eines geometrischen Modells, welches keine geschlossenen Regelkreise für die Plattformposition und die Seilkräfte besitzt. Im Zentrum des Arbeitsraumes konnte mit beiden Ansätzen eine vergleichbare Genauigkeit mit Nutzlast von 80 kg von etwa 70 mm und 2.5° erreicht werden. Auch am Arbeitsraumrand kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine vergleichbare Genauigkeit erreicht werden, da die Seile unter Spannung gehalten werden. Für Bearbeitungsprozesse wie z.B. Schleifen wird die bekannte hybride Positions- und Kraftregelung auf Seilroboter übertragen. Mit dem Regelungsansatz kann die Roboterplattform in einer gewünschten Richtung eine Kontaktkraft aufbringen, währenddessen die Plattform in den verbleibenden Richtungen positionsgesteuert verfahren werden kann. Zur Mensch-Roboter-Kooperation wird eine Admittanzregelung vorgeschlagen. Die Plattform simuliert dabei ein Feder-Masse-Dämpfer-System, mit Hilfe dessen ein virtueller Arbeitsraum realisiert wird. Die Evaluierung zeigt, dass eine Bandbreite bis 13Hz dargestellt werden kann.