Modular, echtzeitfähig, industrietauglich: Wie unser selbst entwickeltes Dynamik-Plug-In für die VIBN nachgiebige Roboter beherrschbar macht

Herausforderungen mit der Nachgiebigkeit in Robotersystemen

Jedes mechanische System weist elastische Eigenschaften auf: Getriebe- und Lagersteifigkeiten sowie Nachgiebigkeiten der Struktur führen zu unerwünschten Verformungen unter Lasteinwirkung. Gleichzeitig wird Nachgiebigkeit in der modernen Robotik aber auch gezielt eingesetzt – etwa für die Gewährleistung der Sicherheit bei der Mensch-Roboter-Kollaboration. Was beide Fälle gemeinsam haben: Die Systemnachgiebigkeit führt zu Schwingungen und Positionsabweichungen.

Die Folge daraus: das dynamische Verhalten muss für eine präzise Prozessführung durch geeigneten Regelungsstrategien berücksichtigt werden. Die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) eignet sich hervorragend, um Regelungsstrategien in einer sicheren Simulationsumgebung zu entwerfen und auf der realen Steuerungshardware zu validieren. Dabei wird das Simulationsmodell mit einem industriellen Steuerungssystem wie Beckhoff TwinCAT 3.1 verbunden. Für die Reglerauslegung am Simulationsmodell muss eine echtzeitfähige Berechnung und Kommunikation im Steuerungstakt sichergestellt werden, damit die Simulationswerte rechtzeitig in der Steuerung zur Verfügung stehen. Für die Regelung von Robotern und NC-Interpolation bewegt sich der Steuerungstakt zwischen einer und zehn Millisekunden. Daher müssen die dafür eingesetzten Modelle echtzeitfähig sein und über die klassische, starre Abbildung der Maschinenhardware in der VIBN-Umgebung hinausgehen.

Ein echtzeitfähiges Dynamik-Plug-In für industrielle Anwendungen

Unsere Gruppe „Digitaler Anlagenzwilling und virtuelle Inbetriebnahme“ des Fraunhofer IWU hat diesen Engpass erkannt und gezielt adressiert. Wir entwickelten ein modulares, übertragbares und echtzeitfähiges C++-Plug-In, mit dem die Dynamik nachgiebiger Gelenkroboter direkt in industrielle Echtzeit-Umgebungen für die VIBN integriert werden kann. Die einmal implementierten, echtzeitfähigen Dynamikmodelle im Plug-In können darüber hinaus auch als Grundlage für modellbasierte Regelungsansätze in der Robotersteuerung dienen.

Recheneffiziente und modular strukturierte, rekursive Dynamikalgorithmen für serielle Kinematiken wurden dazu um ein Feder-Dämpfer-Modell zur Berücksichtigung der Nachgiebigkeit an den Gelenken und ein Kontaktmodell zur Abbildung von Kontaktsituationen mit der Umgebung erweitert. Das Plug-In wurde ohne den Einsatz externer Bibliotheken vollständig Performanz-optimiert in C++ implementiert, um die zuverlässige Ausführung in Echtzeit-Umgebungen sicherzustellen. Es ist als eigenständige, modulare Bibliothek aufgebaut und wurde erfolgreich in zwei industrielle Zielumgebungen integriert:

• ISG-virtuos – ein etabliertes VIBN-Simulationswerkzeug
• Beckhoff TwinCAT 3.1 – ein industrielles Robotersteuerungssystem

Erstmals entsteht damit eine durchgängige Entwicklungs- und Inbetriebnahmekette auf Basis steuerungsgekoppelter virtueller Modelle für serielle Kinematiken mit nachgiebigen Gelenken.

Vom Modell zum realen Roboter

Die Funktionsfähigkeit des Plug-Ins wurde in mehreren Schritten systematisch nachgewiesen. Als Anwendungsdemonstrator wurden zwei Autonox-Sechsachs-Knickarm-Roboter mit Beckhoff-Servomotoren ausgerüstet. Die Struktur der Roboter wurde im Rahmen des Forschungsprojektes „BioiC – Bioinspirierte Soft-Robotische Systeme für eine kognitive Produktion“ an den drei Handgelenksachsen durch den Einbau elastischer Festkörpergelenke und magnetischer Encoder zur Messung der Gelenkverformung modifiziert. Zur Parametrierung des Robotermodells wurden experimentelle Parameteridentifikationen durchgeführt.

Verifikation in der Simulation: Nach der Integration des Plug-Ins in die VIBN-Umgebung ISG-virtuos wurde ein modulares Robotermodell in Form eines Blockdiagramms aus spezifischen Funktionsblöcken aufgebaut. Die Funktion des Plug-Ins wurde durch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit einem Referenzmodell in SimulationX verifiziert.

Validierung am realen Roboter: Mittels einer Modalanalyse wurde die Übereinstimmung der Eigenfrequenzen des realen Roboters mit denen des Simulationsmodells nachgewiesen. Damit wurde die Güte der Modellparametrierung und die korrekte Abbildung des Schwingungsverhaltens bestätigt.

Anwendung in der modellbasierten Steuerung: Das Plug-In wurde für eine modellbasierte Vorsteuerung eingesetzt, die Gelenkverformungen in Echtzeit kompensiert. Außerdem zeigten Tests am realen Roboter eine deutliche Verbesserung der Bahntreue während der Bewegung – besonders relevant für präzise Positionieraufgaben in Handhabungsprozessen.

Echtzeitperformanz im Hardware-in-the-Loop-Betrieb: In einer HiL-Konfiguration konnten bis zu acht nachgiebige Roboter gleichzeitig innerhalb der geforderten Zykluszeit von einer Millisekunde simuliert werden – ein deutlicher Beleg für die Effizienz und Skalierbarkeit des entwickelten Ansatzes.

Erweiterungspotenziale und Perspektiven

Das entwickelte Plug-In bietet eine solide Grundlage für eine Vielzahl weiterer Anwendungen. Die modulare Architektur erlaubt es, zusätzliche Gelenktypen, Lagersteifigkeiten oder Kontaktmodelle für Umgebungsinteraktionen mit wenig Aufwand zu integrieren. Auch die Implementierung fortgeschrittener modellbasierter Regelstrategien ist auf dieser Basis möglich.

Zukünftige Arbeiten werden sich auf die weitere Reduktion systematischer Abweichungen zwischen Simulation und realem Roboter konzentrieren – etwa durch verfeinerte Modellierung von Hysterese, Reibung und Getriebeumkehrspiel. Parallel dazu wird das Plug-In bereits in laufenden Projekten zur Entwicklung und Erprobung von Regelungsstrategien sowie zur Generierung von Trainingsdaten für verschiedene Anwendungsszenarien eingesetzt. Weitere Infos zu der Plug-In-Entwicklung finden sie hier.

Ihr Partner für maßgeschneiderte Modellerweiterungen

Die Entwicklung dieses Plug-Ins zeigt exemplarisch, was die Arbeit unserer Gruppe auszeichnet: Wir schließen gezielt die Lücken, wo Standardwerkzeuge nicht ausreichen – mit industrietauglichen, echtzeitfähigen Lösungen, die direkt in Ihre bestehende Systemlandschaft integriert werden können.

Sie setzen auf nachgiebige Robotersysteme oder möchten Ihre VIBN-Modelle um spezifische Dynamikeffekte erweitern? Wir unterstützen Sie bei der modellbasierten Analyse, der Plug-In-Entwicklung und der Validierung am realen System – von der Anforderungsanalyse bis zur einsatzbereiten Lösung. Oder wollen Sie mehr über die VIBN und die individuellen Vorteile für Sie erfahren? Schauen sie in unserem Portfolio vorbei. Kontaktieren Sie uns und profitieren Sie von unserer Expertise aus Forschung und industrieller Anwendung. Sie erreichen uns auf LinkedIN, oder via E-Mail unter tobias.krueger@iwu.fraunhofer.de.

Autor: Tobias Krüger