Dissertation: a work Piece bases Approach for Programming Cooperating Industrial Robots

F
TCP
= J.τ = J.K.i
(5.31)
K
∈ R
6
is a constant value relating the motor currents to the joint torque
i
∈ R
6
is the motor currents of n motors in the manipulator
For complex cases involving redundant motors (
> 6) and variable velocity profiles, an
accurate dynamic model of the manipulator is necessary. Otherwise the force
/torque values
computed will be not accurate enough. Although gaining access to motor currents doesn’t
entail extra costs, this method is highly complicated and requires real-time computation of
the non-linear robot model. The second method is the direct measurement of forces using
a dedicated force
/torque sensor (FTS) mounted between the robot’s TCP and the gripper.
Modern force sensors are either based on the piezo-electric e
ffect or on strain-gages.
(Hesse & Malisa 2010, P. 65-70). Most commercial FTS utilize strain-gages mounted
on di
fferent beam structures (Voyles et al. 1994). By mathematical manipulation of the
gages’ readings, forces and torques in the six principle directions could be determined.
Regarding observing the forces
/torques on the work-piece, it is quite difficult to separate
between the two components indicated in Equation (5.26) (Winkler & Suchy 2007a). For
practical purposes the latter equation will be handled as follows
F
o
≈
⎧⎪⎪⎨
⎪⎪⎩
m
i
=1
F
o
−i
, for work-piece/manipulator interaction
F
env
,
for environment
/work-piece interaction.
(5.32)
Equation (5.32) represents the core of the geometrical force observer used in this work. It
was constructed based on the assumption that the component of the resultant force on the
work-piece due to the interaction between the manipulators is negligible to F
env
when the
work-piece starts to interact with the environment
6
. The importance of such an assumption
will become evident when adaptive control is discussed.
5.4.2 Gravity compensation
Due to the FTS being mounted between the gripper and the TCP of the manipulator, a
gravity component arises on the FTS due to the weight of the gripper in the free state
and the weight of both the gripper and the object in loaded state. Without adequately
compensating for those forces before activating any controller requiring the forces, will
6
In this case, the environment denotes not that of the manipulators i.e. the work-piece, but rather that of the
work-piece itself. In interaction control literature, a robot interacting with a work-piece is considered interacting
with its immediate environment which is not the case here.
68

---

5.5 Control structures
only lead to faulty results and unnecessary drift. Gravity compensation for the work-
piece compliance is more complicated than for the single robot case and requires prior
knowledge of the location of the center of gravity of the work-piece w.r.t all the TCP in
the system.
5.5 Control structures
In the following sections, several control structures built upon the analysis introduced in
the latter sections will be presented. As stated at the beginning of this chapter, control
structures exhibit di
fferent control behavior by a dedicated routing of signals through the
same components in a given layer. It is imperative here to define the functions of the basic
blocks encountered in the upcoming sections so as to understand the behavior of each
structure:
Commercial robot controller
In this composite block, the commercial robot controller along with the robot itself
is aggregated into one block. Thereby, utilizing the commercial controller instead of
implementing the robot trajectory generator required by the framework. However, it must
be noted here that this block is built on the assumption that the robot vendor provides
a real-time interface to the robot’s trajectory generator. Not only is this required, but
the interface must be capable of executing commands in the robot’s task space. The
representation of the block in this manner allows the control designer to handle the robot
as a black box and cease worrying about the inner workings of the controller, since the
commercial controller guarantees robust and accurate positioning.
Work-piece trajectory This is a generic block which denotes the source of the work-piece
trajectory and is formally a component of the software module in the framework. For
example the trajectory could be generated in an o
ff-line simulation environment, or on-line
using a jogging device. The output is either a trajectory in a HTN or a VQN w.r.t the world
frame.
Work-piece trajectory generator The work-piece trajectory generator is responsible for
converting the trajectory of the work-piece into corresponding coordinated trajectories for
each manipulator depending on the given geometrical constraints. These constraints are
defined before the operation starts, but could also be changed during operation.
5.5.1 Coordinated motion
The most simplest and most straightforward type of control is implemented by enforcing
the geometrical constraints on the robots. In principle, this type of control is what could
be found in commercial CIR mentioned in section 2.5. As already discussed in section
5.2.3.2 geometrical constraints guarantee that the movement of the TCP of all robots is
synchronized to the movement of the work-piece. The most important prerequisite for the
operation here is the relative calibration between the robots, which is usually done through
69

---

5 Control Architecture
calibration w.r.t. a fixed frame. Any deviations or discrepancies would lead to internal
loads and stresses on the work-piece.
WP Trajectory
Generator
Robot 1
commercial robot controller
Robot 1 Trajectory
Generator
Robot 2
Robot 2 Trajectory
Generator
commercial robot controller
WP
Trajectory
Environment
Geometrical
Constraints