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

Sherif Zaidan
March 2012

---

---

Abstract
One of the main characteristics of cooperating industrial robots is their capacity
to share a common work-space as well as a common work-piece.
Due to their
cooperative nature and simultaneous contact through the work-piece, programming
represents a challenging and complicated task. The objective of this research is to
simplify the programming, by imparting full position and force control over the
work-piece to the user. In order to achieve this, force observance and control had
to be tightly integrated into the programming. As a result, a multi-layered control
architecture and a flexible software environment were developed and deployed on an
industrial test-rig. The approach was successfully validated by three di
fferent appli-
cation scenarios covering o
ff-line, on-line and intelligent programming of industrial robots.
Eines der wichtigsten Merkmale von kooperierenden Industrierobotern ist deren Fähigkeit,
sich einen gemeinsamen Arbeitsraum sowie ein gemeinsames Werkstück zu teilen. Die
Programmierung der Roboter stellt auf Grund des kooperativen Charakter und dem
gleichzeitigem Kontakt mit dem Werkstück eine komplexe Aufgabe dar. Ziel dieser
Forschungsarbeit ist es, die Programmierung zu vereinfachen, indem der Nutzer die Kon-
trolle über Positions- und Kraftregelung des Werkstücks erhält. Um dies zu erreichen,
müssen Kraftbeobachtung und -regelung fest in die Programmierung integriert werden. Es
wurden eine mehrschichtige Regelungsarchitektur und eine flexible Software-Umgebung
entwickelt und in einem industriellen Prüfstand implementiert. Der Ansatz wurde erfol-
greich durch drei unterschiedliche Anwendungsszenarien validiert. Diese sind die o
ff-line,
die on-line und die intelligente Programmierung.

---

---

to my mother

---

---

Nomenclature
Variables (coordinate systems)
W
World
/Global frame
R
Robot
/Base frame
T
Tool
/TCP frame
O
Work-piece
/Object frame
Variables (control)
x
K
Vector of posture in
K cartesian coordinates
θ
Vector of joint angles in a manipulator
F
K
Vector of forces and torques in
K cartesian coordinates
τ
Vector of joint torques i.e. motor torques in a manipulator
0
Null matrix
I
Identity matrix
M
Mass matrix (inertial components)
B
Damping matrix (inertial components)
K
Sti
ffness matrix (inertial components)
C
Corilios and friction matrix
G
Gravity matrix (gravitational components)
Λ
Workspace (degrees of freedom of a device)
Abbreviations
2D
2-dimensional
3D
3-dimensional
API
Application programming interface(s)
CAD
Computer aided design
CIR
Cooperating industrial robots
CNC
Computer numerical control(led)
DIN
Deutsches Institut für Normung (German Institute for Standardization)
DOF
Degree(s) of freedom
e.g.
For example

---

etc.
And so forth (Latin: et cetera)
FTS
Force torque sensor(s)
GUI
Graphical user interface(s)
HMI
Human machine interface(s)
HTN
Homogeneous transformation notation
I
/O
Input
/Output
ISO
International Organization for Standardization
i.e.
That is (Latin: id est)
PC
Personal computer
RCC
Remote center compliance
RTOS
Real-time operating system
RTP
Real-time platform
SME
Small and medium enterprise(s)
TCP
Tool center point
VQN
Vector quaternion notation
w.r.t.
with respect to
WPBA
Work-piece based approach
XII

---

Contents
Nomenclature
XI
1
Introduction
3
1.1
Cooperative manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2
Cooperation in industrial manipulators . . . . . . . . . . . .
4
1.3
Scope of work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.4
Thesis outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2
Literature Review
9
2.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.2
Industrial robot programming techniques . . . . . . . . . . .
10
2.2.1
On-line programming . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.2.1.1
Teach-in . . . . . . . . . . . . . .
11
2.2.1.2
Lead-through
. . . . . . . . . . .
12
2.2.1.3
Modern approaches . . . . . . . .
12
2.2.2
O
ff-line programming . . . . . . . . . . . . . . .
13
2.2.2.1
Text-based . . . . . . . . . . . . .
14
2.2.2.2
Simulation-based . . . . . . . . .
15
2.2.2.3
Visual programming . . . . . . . .
17
2.2.3
Task-level methods . . . . . . . . . . . . . . . .
17
2.3
Interaction control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.3.1
Types of tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.3.2
Interaction control classification . . . . . . . . .
19
2.3.2.1
Passive control . . . . . . . . . . .
19
2.3.2.2
Active control . . . . . . . . . . .
20
2.3.3
Remote center compliance . . . . . . . . . . . .
20
2.3.4
Impedance control . . . . . . . . . . . . . . . .
21
2.3.5
Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
2.3.5.1
Industrial assembly . . . . . . . .
23
2.3.5.2
Machining processes . . . . . . . .
23
2.4
Cooperative manipulators: scientific research . . . . . . . . .
24
2.4.1
Master
/slave control . . . . . . . . . . . . . . .
25
2.4.2
Hybrid position
/force control . . . . . . . . . . .
25
2.4.3
Adaptive control . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
2.4.4
Impedance control . . . . . . . . . . . . . . . .
27

---

Contents
2.4.5
Intelligent control . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
2.4.6
Telepresence . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.4.7
Miscellaneous control approaches . . . . . . . .
29
2.5
Cooperative manipulators: commercial systems . . . . . . .
29
2.5.1
Patent Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
2.5.2
System Features . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
2.6
Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.6.1
The position
/force dilemma . . . . . . . . . . . .
34
2.6.2
Robot architectures . . . . . . . . . . . . . . . .
35
2.6.3
Programming paradigms . . . . . . . . . . . . .
37
3
Motivation and Objective
39
3.1
Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
3.2
Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
4
Prerequisites and Conceptual Framework
43
4.1
Overview
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.2
Task prerequisites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.3
System prerequisites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
4.3.1
Bandwidth-oriented control . . . . . . . . . . . .
49
4.3.2
Sensor-based architecture . . . . . . . . . . . . .
49
4.3.3
Flexible information flow . . . . . . . . . . . . .
49
4.3.4
Intuitive human machine interfaces . . . . . . . .
50
4.4
Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
5
Control Architecture
53
5.1
Overview
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
5.1.1
Basic definitions . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
5.2
Modeling
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
5.2.1
Coordinate systems . . . . . . . . . . . . . . . .
56
5.2.2
Posture representation
. . . . . . . . . . . . . .
57
5.2.3
Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
5.2.3.1
Analysis for single manipulator . .
59
5.2.3.2
Analysis for cooperative manipulators
60
5.2.4
Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
5.2.4.1
Analysis for single manipulator . .
62
5.2.4.2
Analysis for cooperative manipulators
63
5.3
Interaction control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
5.4
Assist functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
5.4.1
Force monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
5.4.2
Gravity compensation . . . . . . . . . . . . . . .
68
5.5
Control structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
5.5.1
Coordinated motion . . . . . . . . . . . . . . . .
69
XIV

---

Contents
5.5.2
Accommodation control . . . . . . . . . . . . .
71
5.5.2.1
Single manipulator mode . . . . .
72
5.5.2.2
Work-piece mode . . . . . . . . .
72
5.5.2.3
Drift issues . . . . . . . . . . . . .
73
5.5.3
Adaptive control . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
5.5.3.1
Manipulator
/work-piece interaction
74
5.5.3.2
Work-piece
/environment interaction
75
5.6
Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
5.7
Summary
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
6
Software Environment
79
6.1
Overview
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
6.2
Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
6.3
Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
6.3.1
Structural components . . . . . . . . . . . . . .
81
6.3.2
Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
6.3.3
XML-based description . . . . . . . . . . . . . .
83
6.3.4
Graphical components . . . . . . . . . . . . . .
86
6.4
Signal management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
6.4.1
Transparency prerequisite . . . . . . . . . . . . .
89
6.4.2
Signal management scheme
. . . . . . . . . . .
90
6.4.3
Control module interfacing . . . . . . . . . . . .
92
6.4.4
Configuration matrices . . . . . . . . . . . . . .
94
6.5
Device integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
6.5.1
Human machine interface . . . . . . . . . . . . .
95
6.5.1.1
Workspace scaling . . . . . . . . .
97
6.5.1.2
Degree of freedom mapping . . . .
98
6.5.2
External communication . . . . . . . . . . . . .
98
6.5.2.1
Ethernet . . . . . . . . . . . . . .
98
6.5.2.2
Digital I
/O . . . . . . . . . . . . .
99
6.6
Work-piece based virtual environment . . . . . . . . . . . .
100
6.7
Summary
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
100
7
Experimental Test-rig
103
7.1
Overview
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
7.2
Device components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
7.2.1
Robot platform . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
7.2.2
Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
104
7.2.3
Task-level peripheries . . . . . . . . . . . . . . .
106
7.2.4
Real-time platform . . . . . . . . . . . . . . . .
106
7.3
Communication architecture
. . . . . . . . . . . . . . . . .
106
7.3.1
Robot interface . . . . . . . . . . . . . . . . . .
108
7.3.2
Asynchronous communication . . . . . . . . . .
108
XV

---

Contents
7.3.3
Data Transfer Rate . . . . . . . . . . . . . . . .
110
7.4
Summary
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
111
8
Assessment
113
8.1
Overview
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113
8.2
Experimental validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113
8.2.1
Hand-guided programming . . . . . . . . . . . .
115
8.2.1.1
Overview . . . . . . . . . . . . . .
115
8.2.1.2
Programming procedure . . . . . .
115
8.2.1.3
Experiments . . . . . . . . . . . .
116
8.2.2
O
ff-line simulation . . . . . . . . . . . . . . . .
119
8.2.2.1
Overview . . . . . . . . . . . . . .
119
8.2.2.2
Programming procedure . . . . . .
119
8.2.2.3
Experiments . . . . . . . . . . . .
120
8.2.3
Autonomous assembly . . . . . . . . . . . . . .
121
8.2.3.1
Overview . . . . . . . . . . . . . .
121
8.2.3.2
Programming procedure . . . . . .
121
8.2.3.3
Experiments . . . . . . . . . . . .
122
8.3
Qualitative assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
124
8.4
Economic assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
127
8.5
Programming, sensors and intelligent robots - The big picture
129
9
Conclusion
131
List of Figures
135
List of Tables
137
Bibliography
139
XVI

---