Research Group Computational Engineering & Automation (CEA), Hochschule Wismar - University of Technology, Business & Design

Master Thesis

Steuerung einer Roboterzelle mit Zustandsautomaten


1. Betreuer:
2. Betreuer: 		Prof. Dr.-Ing. Thorsten Pawletta
Prof. Dr.-Ing. Peter Dünow
  Gunnar Maletzki, Matrikel MMA03  

Einleitung

Industrieroboter sind heute zu den bedeutenden und weit verbreiteten Systemen zu zählen, die in ihrer Entwicklung Maßstäbe hinsichtlich der Leistungsfähigkeit gesetzt haben. Durch die voranschreitende Robotikforschung werden stetig neue Einsatzmöglichkeiten für Industrieroboter erschlossen.
Die Fertigungstechnik, speziell die Produktionsautomatisierung, ist das Haupteinsatzgebiet für Robotersysteme. Aufgrund der großen Einsatzbreite werden die unterschiedlichsten Anforderungen an die Industrieroboter gestellt. Die einfache Programmierung nimmt dabei einen besonders großen Stellenwert ein.

Problemstellung

Derzeit stellt jeder Roboterhersteller eigens entwickelte Programmiersoftware zur Verfügung. Durch die Vielfalt der Hersteller resultiert ein großes Angebot verschiedenartiger Programmiersprachen, die speziell für einen Robotertyp vorgesehen sind.
Der zu untersuchende Industrieroboter ist ein Produkt der Firma KUKA mit der Typenbezeichnung KR3. Für die Roboterprogrammierung steht die KUKA Robot Language (KRL) zur Verfügung.
Die Syntax der KRL ähnelt am ehesten der Programmierung mit C, jedoch mit deutlich geringerer Funktionalität. Im Vergleich zu anderen Programmiersystemen, wie z.B. Matlab/Stateflow ®, ist die KRL in der Leistungsfähigkeit eingeschränkt und daher unflexibel.

Zielstellung

Ziel der Master Thesis ist das Implementieren unterschiedlicher Applikationen für die Steuerung des Roboters in einer hochflexiblen Programmierumgebung durch die Verwendung von Zustandsautomaten auf der Basis von Matlab/Stateflow®. Diese Applikationen reichen von einfachen Teachprogrammen bis hin zur simulationsbasierten Prozesssteuerung eines materialtechnischen Bestückungsproblems.

KUKA – Matlab – Stateflow Schnittstelle

Für die Steuerungsprogrammierung des KUKA Roboters auf der Basis von Zustandsautomaten ist eine Erweiterung der Standard Roboterzelle KUKA KR3 um einen zusätzlichen Matlab/Stateflow PC erforderlich.
 
Für die Realisierung der Kommunikation wurde im Rahmen einer Diplomarbeit von Krzysztof Maslanka ein Interpreter in der KRL implementiert, der über die serielle Schnittstelle Anweisungen vom Matlab/Stateflow PC empfangen, identifizieren und ausführen kann. Das Senden von Anweisungen wird vom Matlab/Stateflow PC durch den Aufruf von Matlab-Funktionen realisiert. Somit können wichtige Roboterparameter und Bewegungsanweisungen in der Matlab Umgebung definiert werden.

Roboterapplikationen

1. Teachen mit grafischer Bedienoberfläche (GUI)

Das Ziel dieser Applikation ist das Teachen (=Handverfahren) des Roboters unter Zuhilfenahme einer grafischen Bedienoberfläche (Abb. 3). Die grafische Bedienoberfläche enthält Push Buttons und ein Slider Element. Mit Hilfe dieser Bedienelemente kann der Roboter entweder im achsspezifischen oder im kartesischen Koordinatensystem verfahren werden.

Modellbildung

Für diese Applikation wurden zwei Zustandübergangsdiagramme mit Matlab/Stateflow implementiert.



Das Stateflow Diagramm "GUI Signals & Events" ist für die Auswertung der Signale verantwortlich, die durch die Betätigung der Bedienelemente der grafischen Oberfläche erzeugt werden. Aus den Signalen werden Events generiert, die als Triggersignal für das Stateflow Diagramm "GUI Robot Control" fungieren. Dieses Stateflow Diagramm enthält die Logik für die Definition der Bewegungsparameter und für die Ausführung der Bewegungsfunktionen.
 


2. Simulation und Steuerung eines materialtechnischen Bestückungsproblems

Das Ziel dieser Applikation ist das Sortieren farbiger Fördereinheiten, die ungeordnet in einem Eingangspuffer enthalten sind. Die Farb- und Positionserkennung wird mit Hilfe einer Funkkamera realisiert. Um die Fördereinheiten der Farbe nach sortiert in die Ausgangspuffer 1 bis 3 zu transportieren, ist am Roboter zusätzlich ein schaltbarer Elektromagnet angebracht.



Modellbildung

Für die Modellbildung wurde der Ansatz der simulationsbasierten Prozesssteuerung verfolgt. Dieser Modellansatz beinhaltet die Erstellung eines Entwurfssimulationsmodells und dessen Erweiterung um eine Prozessschnittstelle. Für die Entwurfssimulation wurde ein hardwareunabhängiges Modell des realen Bestückungssystems erstellt und validiert. Anschließend wurde die Modellkomponente des Roboters um eine Prozessschnittstelle erweitert, um die Aktorik anzusprechen und somit den realen Bestückungsprozess zu steuern. Alle Modellkomponenten, die Prozessschnittstelle und die Steuerungslogik wurden als Stateflow Diagramme implementiert.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Erweiterung der Standardkomponenten der Roboterzelle KUKA KR3 um einen zusätzlichen Matlab/ Stateflow PC konnte die Vorteile beider Programmiersysteme vereinen. Die von der KRL-Umgebung gegebene Sicherheit durch die Arbeitsraumüberwachung und die Kontrolle der Software-Endschalter der einzelnen Roboterachsen wird von der hochflexiblen Programmiersoftware Matlab/Stateflow ergänzt. Dadurch wird z.B. die Integration zusätzlicher Hardwarekomponenten erleichtert und die Modellierung paralleler Prozesse möglich. Das entstandene System ist als Rapid Prototyping Umgebung anzusehen mit der Steuerungsapplikationen der Roboterzelle mit geringem Aufwand modelliert und getestet werden können. Dies stellt einen entscheidenden Fortschritt zu der gegenwärtig verfügbaren Software für die Roboterprogrammierung dar.


Gunnar Maletzki
email: g.maletzki@stud.hs-wismar.de