Direct position control of an industrial robot based on an external tracking system

The use of industrial robots as machine tools offers great potential for increasing the flexibility of manufacturing companies. However, their low absolute pose accuracy in position and orientation, due to serial construction and flexibility of gearings, and the significant path errors, due to low structural stiffness, still prevent the development of new fields of application with high external loads and accuracy requirements. To increase the absolute accuracy, the pose of the industrial robot can be directly detected and controlled in real-time by an external tracking system (e.g., camera- or laser-based). Still, the resulting accuracy strongly depends on the quality of the measurements as well as on the speed and robustness of the controller. Therefore, this thesis work deals with the development of a robust and highly-dynamic controller for the real-time compensation of a real industrial robot, on the basis of investigations of the control and tracking process. Starting with an already existing communication protocol, experimental investigation on the robot were carried on to investigate the system characteristics and to identify the measurement noise. Thus, a Kalman filter was implemented, to improve tracking accuracy, together with a robust controller making use of PID controller parameters and fuzzy logic. Lastly, the method was validated both through simulation, exploiting the FANUC's software Roboguide, and through experiments, using the industrial robot FANUC M-900iB/700 available at the PTZ of TU Berlin. The focus of the investigation has been on the achievable robot accuracies with and without the additional measurement technology and control strategies, driving a comparison of the different control algorithms and providing an outlook on the applicability of dynamic tracking and control using external cameras in industrial robots' processes.

L'utilizzo di robot industriali come macchine utensili ha un grande potenziale per la flessibilità delle aziende manifatturiere. La loro scarsa accuratezza di posa in posizione e orientamento, però, dovuta alla fabbricazione in serie e alla resilienza degli ingranaggi, oltre che ai significativi errori di traiettoria per via della scarsa rigidezza strutturale, previene lo sviluppo di nuovi campi di applicazione, in particolare quelli ad alti carichi esterni e stringenti requisiti di precisione. Per aumentare l'accuratezza assoluta, si può identificare e controllare la posa del robot industriale direttamente e in tempo reale, grazie a un sistema di tracciamento esterno (ad esempio basato su camere a infrarossi o laser). Nonostante ciò, l'accuratezza è fortemente legata alla qualità delle misurazioni e alla reattività e robustezza del sistema di controllo. Lo scopo di questo lavoro di tesi è, quindi, sviluppare un controllo robusto e altamente dinamico per la compensazione in tempo reale di un robot industriale, sulla base di investigazioni svolte sul processo di controllo e tracciamento. Partendo da un sistema di comunicazione già sviluppato in precedenza, sono state svolte analisi sperimentali per investigare le caratteristiche strutturali del sistema e i disturbi sulle misure. Dopodiché, è stato implementato un sistema di controllo, costituito da un filtro di Kalman insieme a un controllo PID e una logica fuzzy, per poter migliorare l'accuratezza del tracciamento. Infine, il metodo è stato validato attraverso simulazioni svolte sul software Roboguide di FANUC, e su un robot industriale FANUC M-900iB/700 presente al PTZ di TU Berlin. Il focus degli esperimenti è stato sull'accuratezza raggiungibile con e senza le tecnologie di tracciamento e il sistema di controllo, realizzando così una comparazione tra i diversi algoritmi utilizzati e fornendo una prospettiva sull'applicabilità del tracciamento e controllo dinamico, attraverso l'utilizzo di camere esterne, nei processi di robotica industriale.