Robotontwikkeling succesvoller met modelgebaseerd design
Prestatie, betrouwbaarheid en concurrentiepositie van robots zijn sterk afhankelijk van de expertise van de ontwerpers. Segula heeft een modelgebaseerde ontwikkelmethode opgezet om het design te optimaliseren. In samenwerking met VDL is die aanpak succesvol toegepast voor een klant in de halfgeleiderindustrie.
Ook al beconcurreren fabrikanten elkaar sterk, commerciële robots zijn duur, onafhankelijk van de applicatie of het domein waar ze worden ingezet. De productieseries zijn klein en ze hebben een beperkte levensduur van maximaal tien jaar. De betrouwbaarheid en concurrentiepositie van een robot is sterk afhankelijk van de specifieke expertise binnen de ontwikkelafdeling van de leverancier. Hetzelfde geldt voor het onderhoud en het operationeel houden van de systemen in het veld, waarbij de applicatie vaak wijzigt gedurende de levensduur van de robot.
Alleen diepgaande theoretische kennis samen met technologische innovaties leidt tot een systematische ontwikkeling van een robot. Zo’n aanpak is van groot voordeel voor de kwaliteit en efficiëntie alsmede voor kostenbesparing. Segula Technologies gebruikt een modelgebaseerde benadering in roboticaontwikkeling. Dat begint met de definitie van de referentie of meest kritieke bewegingstaak (1). Dan komt computer-aided design om de hoek kijken (2). In onze software definiëren we de kinematica van de robot en de robotdynamica zonder actuatoren. Verder kiezen we de actuatoren en het concept voor het ontwerp van de feedbackcontroller, waarna we de massatraagheden optimaliseren. Vervolgens is het tijd voor achtereenvolgens het controllerdesign (3), de softwareontwikkeling (4), de realisatie (5) en uiteindelijk de verificatie van de robot tegen de eisen (6).
Nadat we de benodigde bewegingsruimte, het aantal vrijheidsgraden voor de bewegingen en eigenschappen zoals gewenste snelheid en nauwkeurigheid hebben bepaald in stap 1, komt de beschrijving van de robot in een model in stap 2 aan de orde. Ook passen we gereedschappen zoals Fem-berekeningen toe voor de beschrijving van de roboteigenschappen. De kracht van model-based design zit ’m echter in deze wiskundige beschrijving van de robot. Daarvoor wordt de configuratie van de robot beschreven als coördinatentransformaties van ieder gewricht ten opzichte van een referentiecoördinatensysteem, gebruikmakend van de Denavits-Hartenberg-conventie (zie Figuur 1). Hiermee kan ieder gewricht in termen van positie en oriëntatie worden beschreven met vier kinematische parameters (rotatiehoek αi, armlengte ai, oriëntatiehoek θi en verschuiving di) ten opzichte van het referentiecoördinatensysteem. De robotconfiguratie wordt dus beschreven als een coördinatentransformatiematrix. Hiermee kunnen we een voorspelling doen van de directe en inverse kinematica, benodigde posities, snelheden en versnellingen voor een gewenste beweging van de robot.
De inverse kinematica voorspelt de benodigde robotarmconfiguraties en dus de beweging in de tijd. Hiervoor is echter geen eenduidige oplossing met de gewenste trajectorie van de robot in zijn werkgebied. Vaak is een robot ook nog ‘redundant’: meer vrijheidsgraden dan noodzakelijk voor de beweging. Met specifieke algoritmes kun je wel tot een beste oplossing komen. Daarmee worden de posities, snelheden en versnellingen van ieder gewricht bepaald. We hebben het algoritme ook aangepast om discretisatiefouten in het tijddomein te minimaliseren.
De uitkomst van het inverse-kinematica-algoritme, dus een voorstel van posities, hoeken en lengtes, vormt de basis voor de berekening van de dynamica van de robot, met de uitvoer in versnellingen (lineair en rotatie) en krachten en momenten. Hierin nemen we ook aspecten als wrijving, stijfheid en demping mee. Uiteindelijk wordt het dynamische model ook gebruikt bij de actuatorkeuze gebaseerd op de benodigde krachten en momenten. De massatraagheid van de actuatoren wordt daarna toegevoegd aan de matrix en daarmee is het dynamische model weer bijgewerkt.
Ingredients enabling carbon neutrality of warehouse systems
5 oktober 2023 vindt de INCOSE-NL workshop 2023 plaats, met spreker Daan Meijsen van Vanderlande. Tijdens de workshop krijg je inzicht in de verschillende cross-cutting duurzaamheidsperspectieven voor hightech systemen. Bekijk het volledige programma online en registreer nu!
Het resulterende dynamische model wordt gebruikt voor de ontwikkeling van de feedbackregelaar. Eventueel kan die regelaar natuurlijk worden uitgebreid met een feedforwardcomponent. Deze component is ook modelgebaseerd ontworpen.
Bij Segula hebben we voor deze ontwikkelstrategie intuïtieve softwaretools die zorgen voor een geautomatiseerde robotontwikkeling. De tools genereren op basis van de input, volgens bovenstaande beschrijving, symbolische vergelijkingen die kunnen worden gebruikt bij de vervolgstappen in het designproces.
450 mm
In een samenwerkingsproject van Segula en VDL ETG is de beschreven aanpak en tooling ingezet voor een nieuw design op basis van een bestaande product handling-robot. Het initiële design en de eerste proto komen van een externe leverancier. Dit design is gebaseerd op het oude pakket van eisen. Inmiddels is er een gewijzigd eisenpakket vanwege een verandering in de toepassing.
De robot wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie voor de verplaatsing van de wafers. Op de horizon van deze industrie staat een wijziging in productgeometrie: van wafers met een diameter van 300 millimeter naar schijven van 450 millimeter. Samen met een wijziging van de wafergrootte moet ook de reikwijdte van de robot worden aangepast en zijn ook de eisen verscherpt met betrekking tot de prestatie, snelheid en nauwkeurigheid. Ons doel is verbetering van het originele robotdesign zodat wordt voldaan aan de nieuwe eisen, met name op positienauwkeurigheid in de drie cartesische coördinaten x, y en z. In dit artikel focussen we op de minimalisatie van de ongewenste z-trillingen. De z-richting is een niet-geactueerde richting en er kan dus ook geen actieve foutcorrectie middels een regellus van die actuator worden gedaan.
Allereerst hebben we een mathematische beschrijving van de robotdynamica gemaakt volgens onze aanpak. Dit model hebben we daarna gebruikt om verbeteringen te voorspellen in het design en voor controlegerelateerde onderwerpen. Het model beschrijft niet-lineaire discrete en continue dynamica van de robotmechanica, actuatoraandrijving inclusief overbrengingen, wrijving en stijfheden van de aandrijftrein, feedback- en feedforwardcontrollers, bewegingspatroongeneratie en discrete samplingeffecten. Ook hebben we een gedeeltelijke Fem-analyse van de end effector (de ‘robothand’) in het model geïntegreerd. De twee modellen, Fem en analytische beschrijving van de dynamica, zijn aan elkaar gekoppeld met stijve veren die model staan voor de krachtinteractie tussen de eindeffector en de robotpols.
De initiële modelparameters corresponderen met het originele robotdesign en zijn geverifieerd via metingen aan de bestaande proto. Figuur 3 illustreert dit: de gemeten verplaatsing in z-richting (rood) en de bijpassende simulatie (blauw) uit ons model. De geconstateerde submillimeterverplaatsing treedt op tijdens de horizontale beweging van de robot. Deze beweging is in de ordegrootte van bijna een meter. Ondanks dat de amplitudes van de verschillende richtingen enkele ordes van grootte verschillen, zijn de resultaten van het model accuraat. De conclusie dat het model daarmee ook bruikbaar is voor andere simulaties is evident: met het model kunnen verdere designverbeteringen worden voorspeld.
Allereerst kunnen we in het model aanwijzen waar een eventueel zwak punt zit. Daarna kan de verbetering worden geverifieerd met het aangepaste model. Het model is ook geschikt voor de optimalisatie van prestatie versus warmteafgifte. Omdat in het model zowel de positie en de snelheden als de versnellingen zijn berekend, is het mogelijk met de eigenschappen van de actuatoren de gegenereerde warmte te bepalen. Verdere modellering met warmtetransportmodellen is daarbij binnen handbereik. Verder kan de controlleroptimalisatie, inclusief keuze voor de te regelen parameters, worden gedaan met het model. Een regeling op de directe cartesische positie van de eindeffector is namelijk anders dan een regeling op de directe rotatiecoördinaten van de actuatoren zelf. Dit verschil kan makkelijk in het model zichtbaar worden gemaakt en dus ook de afweging voor de controlstrategie.
Geen proto
Deze praktijkcase laat zien dat onze modelgebaseerde aanpak resulteert in een werkbaar model geschikt voor meerdere doeleinden zoals designverificatie, designwijzigingen, performanceverbeteringen of controllerdesign. Hiermee kan het robotontwerp dus worden gestuurd om te voldoen aan nieuwe strengere eisen.
Door het toepassen van model-based design in alle fases van het ontwerpproces, met de tools zoals gebruikt door Segula, is het mogelijk om een optimalisatie van de output versus de designinspanning te realiseren. Hierbij voorspel je gelijk nauwkeurig de prestatie van de robot zonder de noodzaak voor een prototype. Deze werkwijze is ook geschikt voor andere mechatronische systemen door ze te beschrijven in een mathematisch model.
Patrick Smulders is hoofd van de afdeling System Architecture bij Segula Technologies Nederland. Dragan Kostić is mechatronica-architect bij Segula.
