Bahntreue trotz wackelndem Werkstück: MR-MPCC der UTS senkt den mittleren Konturfehler eines UR5e um rund 20 Prozent
Wird das Werkstück unter einem UR5e-Roboterarm mitten in der Bahn angestoßen, hält ein Konturregler der University of Technology Sydney das Werkzeug im Mittel 20 bis 22 Prozent näher an der Sollbahn als klassische PI-Regelung oder zeitindizierte MPC (4,28 mm gegenüber 5,36 und 5,51 mm RMS-Fehler in der Simulation), berichten die Forschenden in einem Preprint. Die Spitzenfehler, die der Stoß selbst bestimmt, blieben bei allen drei Verfahren etwa gleich.
Wie soll ein Roboterarm einer präzisen Bahn folgen, wenn sich das Objekt, das die Bahn trägt, unerwartet bewegt, etwa ein Knochen beim Fräsen oder ein eingespanntes Bauteil?
Die meisten Armregler folgen einer zeitindizierten Referenz: Zum Zeitpunkt t soll das Werkzeug bei p(t) sein. Wird der Bahnrahmen verschoben, jagt ein solcher Regler weiter der Uhr hinterher und baut seitliche Abweichung von der Bahn auf, genau die Größe, auf die es beim Zerspanen oder chirurgischen Fräsen ankommt. Die Gelenkregelung kann stabil wirken, während das Werkzeug neben der Linie liegt.
PI- und PID-Regler sind einfach und erprobt, sagen aber nichts voraus und behandeln keine Beschränkungen. Robuste, Tube- und lerngestützte modellprädiktive Regelung (MPC) ergänzt Beschränkungen und Störgrößenbehandlung, bleibt aber zeitindiziert. Die modellprädiktive Konturregelung (MPCC), die Fehler längs und quer zur Bahn trennt und das Bahnfortschrittstempo selbst wählt, ist bei Werkzeugmaschinen und Drohnen etabliert; an Manipulatoren diente sie bisher vor allem der Hindernis- und Singularitätsvermeidung an einem siebenachsigen Panda.
MR-MPCC arbeitet zweistufig mit 500 Hz. Oben steht eine MPCC im Arbeitsraum mit zehn Prädiktionsschritten, die Fehler in einem mit der bewegten Bahn verbundenen Koordinatensystem rechnet, den Positionsfehler in Konturfehler quer zur Bahn und Schleppfehler längs der Bahn zerlegt, einen Orientierungsfehler für die volle 6-DoF-Pose ergänzt und neben dem Endeffektor-Twist eine virtuelle Fortschrittsgeschwindigkeit optimiert. Der Konturfehler wiegt 25-mal mehr als der Schleppfehler (500 zu 20). Darunter setzt ein beschränktes quadratisches Programm nach dem Resolved-Motion-Rate-Prinzip den Twist in Gelenkgeschwindigkeiten um und hält Gelenkpositions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsgrenzen, eine Manipulierbarkeitsbarriere gegen Singularitäten und Mindestabstände gegen Eigenkollision ein. Das System läuft in einer Pipeline aus ROS 2 und MuJoCo; im Versuch misst ein elektromagnetischer NDI-Aurora-Tracker mit 40 Hz Bahnplatte und Werkzeug.
In der MuJoCo-Simulation mit je fünf Läufen unter identischen Störungen hatte MR-MPCC in jeder Störkonfiguration den kleinsten RMS-Konturfehler. Bei kombinierter Verschiebung und Drehung des Bahnrahmens auf einer Spiralbahn waren es 4,28 mm gegenüber 5,36 mm für PI (20,2 Prozent weniger) und 5,51 mm für MPC (22,3 Prozent weniger); bei einem korrelierten Störmodell lag der Vorsprung gegenüber MPC bei 21,0 Prozent (3,72 zu 4,71 mm). Am größten war er bei reiner Verschiebung (0,70 zu 0,97 mm für MPC, 27,3 Prozent weniger), am kleinsten auf schwierigeren Geometrien: 3,1 Prozent auf einer Blütenbahn, 1,3 Prozent auf einer Helix. Der maximale Konturfehler lag bei allen Reglern bei etwa 50 bis 53 mm. Die Protokolle zeigen den Mechanismus: Nach einem Stoß drosselt der Regler den Bahnfortschritt und holt zuerst die Linie zurück, er tauscht vorübergehenden Schleppfehler gegen Querbahngenauigkeit. Auf einem realen UR5e, der Gerade, Sinus und Spirale auf einer von Hand verschobenen Platte abfuhr, zeigte das Verfahren einen niedrigeren Median und eine engere Streuung des Konturfehlers als beide Vergleichsregler (Prozentwerte der Simulation von MEKAWIRE aus der Tabelle des Papiers berechnet).
Die Hardwareergebnisse liegen nur als Boxplots vor, ohne Zahlenwerte und ohne Zahl der Toleranzverletzungen am 16-mm-Ringlehrenwerkzeug; der Text nennt einmal drei und einmal zehn Läufe je Regler. Die Störungen wurden von Hand aufgebracht. Die Pose des Bahnrahmens gilt über den Prädiktionshorizont als konstant und wird mit 40 Hz gemessen; Messverzug, Unsicherheit und Kontaktkräfte verschieben die Autoren auf spätere Arbeiten. Der Spitzenfehler, der über Ausschuss oder Sicherheitsstopp entscheidet, sank nicht. Es handelt sich um ein Preprint.
Das Szenario passt auf Aufgaben, bei denen sich das Ziel unter dem Werkzeug bewegt: robotisches Knochenfräsen (gefördert durch das australische NHMRC), Entgraten auf nachgebenden Vorrichtungen und Bearbeitung mit Cobots wie dem UR5e von Universal Robots. Ein Geschwindigkeitsregler mit ROS-2-Anbindung ist für Integratoren leicht zu erproben. Unsere Einschätzung: 20 Prozent weniger mittlerer Fehler helfen der Oberflächengüte, doch Anwender in Chirurgie und Zerspanung werden nach Spitzenabweichung und gemessenen Hardwarezahlen entscheiden, die das Papier noch schuldig bleibt.
Der Volltext wird hier nicht wiedergegeben, weil die Lizenz der Studie das nicht erlaubt. Das Original steht auf arXiv.