Produktionssysteme mit Industrierobotern werden zunehmend komplex; waren deren Arbeitsbereiche früher noch statisch und abgeschirmt, und die programmierten Abläufe gleichbleibend, so sind die Anforderungen an moderne Robotik-Produktionsanlagen gestiegen: Diese sollen sich jetzt mithilfe von intelligenter Sensorik auch in unstrukturierten Umgebungen einsetzen lassen, sich bei sinkenden Losgrößen aufgrund individualisierter Produkte und häufig ändernden Produktionsaufgaben leicht rekonfigurieren lassen, und sogar eine direkte Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter ermöglichen. Gerade auch bei dieser Mensch-Roboter-Kollaboration wird es damit notwendig, dass der Mensch die Daten und Aktionen des Roboters leicht verstehen kann. Aufgrund der gestiegenen Anforderungen müssen somit auch die Bedienerschnittstellen dieser Systeme verbessert werden. Als Grundlage für diese neuen Benutzerschnittstellen bietet sich Augmented Reality (AR) als eine Technologie an, mit der sich komplexe räumliche Daten für den Bediener leicht verständlich darstellen lassen. Komplexe Informationen werden dabei in der Arbeitsumgebung der Nutzer visualisiert und als virtuelle Einblendungen sichtbar gemacht, und so auf einen Blick verständlich. Die diversen existierenden AR-Anzeigetechniken sind für verschiedene Anwendungsfelder unterschiedlich gut geeignet, und sollten daher flexibel kombinier- und einsetzbar sein. Auch sollen diese AR-Systeme schnell und einfach auf verschiedenartiger Hardware in den unterschiedlichen Arbeitsumgebungen in Betrieb genommen werden können. In dieser Arbeit wird ein Framework für Augmented Reality Systeme vorgestellt, mit dem sich die genannten Anforderungen umsetzen lassen, ohne dass dafür spezialisierte AR-Hardware notwendig wird. Das Flexible AR-Framework kombiniert und bündelt dafür verschiedene Softwarefunktionen für die grundlegenden AR-Anzeigeberechnungen, für die Kalibrierung der notwendigen Hardware, Algorithmen zur Umgebungserfassung mittels Structured Light sowie generische ARVisualisierungen und erlaubt es dadurch, verschiedene AR-Anzeigesysteme schnell und flexibel in Betrieb zu nehmen und parallel zu betreiben. Im ersten Teil der Arbeit werden Standard-Hardware für verschiedene AR-Visualisierungsformen sowie die notwendigen Algorithmen vorgestellt, um diese flexibel zu einem AR-System zu kombinieren. Dabei müssen die einzelnen verwendeten Geräte präzise kalibriert werden; hierfür werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, und die mit ihnen dann erreichbaren typischen Anzeige- Genauigkeiten in einer Evaluation charakterisiert. Nach der Vorstellung der grundlegenden ARSysteme des Flexiblen AR-Frameworks wird dann eine Reihe von Anwendungen vorgestellt, bei denen das entwickelte System in konkreten Praxis-Realisierungen als AR-Benutzerschnittstelle zum Einsatz kam, unter anderem zur Überwachung von, Zusammenarbeit mit und einfachen Programmierung von Industrierobotern, aber auch zur Visualisierung von komplexen Sensordaten oder zur Fernwartung. Im Verlauf der Arbeit werden dadurch die Vorteile, die sich durch Verwendung der AR-Technologie in komplexen Produktionssystemen ergeben, herausgearbeitet und in Nutzerstudien belegt. / During recent years, production environments involving industrial robots have moved away from static, shielded production lines towards a more open, flexible and adaptable setup, where human and robot are working in close proximity or even collaborating on the same workpiece. This change necessitates improving existing user interfaces for these robots, to allow for an easier understanding of the complex robot data as well as simplifying their handling and programming. Augmented Reality (AR) is a technology that allows for realizing that: it enables the user to simply grasp complex spatial data by seeing it - appropriately visualized - in his natural work environment. This thesis introduces the Flexible Augmented Reality framework, an AR framework that allows for quick and easy realization of multiple monitor- or projection-based AR displays in the work environment of industrial robots, greatly simplifying and improving their handling without the use of specialized AR hardware. The developed framework combines and bundles all the necessary software functions and algorithms, among others for realizing the fundamental AR visualizations, calibrating the necessary hardware, capturing the display environment utilizing Structured Light and easily creating generic AR visualizations, to allow for fast deployment and parallel operation of multiple AR interfaces in different production and application fields. Among describing the developed algorithms as well as properties of the employed hardware, a thorough evaluation of the achievable display accuracy with standard hardware is given in this thesis. Finally, the framework was tested and evaluated in a number of different practical application scenarios involving industrial robot programming, remote surveillance and control, as well as intuitive sensor data display or remote maintenance. The developed solutions are presented in detail together with performed evaluations and user studies, exemplifying the framework's improvement of traditional industrial robot interfaces.

Diese Dissertation befasst sich mit der sensorgeführten Regelung von Industrierobotern zur Konturverfolgung. Beispiele dafür sind das robotergestützte Nähen, Entgraten oder das Auftragen von Dichtmasse entlang von Schweißnähten. Beim Nähen und Entgraten müssen während der Verfolgung der Kontur bestimmte Kontaktkräfte an möglicherweise nachgiebigen Werkstücken eingehalten werden. Dabei ist es in modernen Fertigungsprozessen wichtig, die Bewegung des Roboters mit wenig Einrichtaufwand vorzugeben. Dazu werden Sensorsysteme eingesetzt, die Bildinformationen und Kraftmessungen verarbeiten, um den Roboter mit gewünschter Kontaktkraft entlang sichtbarer Konturen eines Werkstückes zu führen. Der Fokus dieser Arbeit ist die Fusion der Sensordaten, um die Vorteile der einzelnen Sensoren in einer Aufgabe zu vereinen. Es werden Messwerte eines Kraft-Momenten Sensors, einer Kamera, eines Beschleunigungssensors und der kartesischen Position und Orientierung des Roboters verwendet. Zuerst wird die Berechnung der kartesischen Roboterposition untersucht. Es wird ein Beobachter vorgestellt, um unter Verwendung eines Beschleunigungssensors die Präzision des Positionssignales zu erhöhen. Anschließend wird das Kamerasystem untersucht und ein Verfahren vorgestellt, um Geschwindigkeit, Position und Orientierung des robotergeführten Werkzeuges entlang der Kontur vorzugeben. Danach wird auf die Ermittlung von Kontaktkräften eingegangen, wobei die Kompensation von Trägheitskräften mittels Beschleunigungssensoren untersucht wird. Der letzte Abschnitt befasst sich mit der Verbindung von bildgestützter Konturverfolgung und Kraftregelung an nachgiebigen Werkstücken. Durch die Nachgiebigkeit des Werkstückmaterials verformt sich die Kontur bei Kontakt. Durch bildgestützte Konturverfolgung wird eine Anpassung an diese Verformung vorgenommen -- somit besteht über die Verformbarkeit des Werkstückes eine Kopplung zwischen den beiden Regelkreisen. Diese Kopplung wird gelöst, indem auf Basis eines dynamischen Modells der Umgebung eine Kompensation der Werkstückverformung berechnet wird. Die Modellparameter zur Kompensation werden durch online Identifikation ermittelt. / This thesis focuses on the sensor-guided control of industrial robots for contour-following. Examples include the robot-guided sewing, grinding or the application of sealant along weld seams. Grinding and sewing require a certain contact force while following a countour of a workpiece, whereas the worpieces might be compliant. Modern production processes require a fast and simple way to set up the motion of the robot for the required task. Therefore sensor systems are used, which process visual and tactile information to guide the tool at a desired contact force along visible contours of a workpiece. The focus of this work is the fusion of sensor data, used to benefit from the advantages of each of the individual sensors in one control scheme. I combine the measurements of a force-torque sensor, a camera, an acceleration sensor and of the Cartesian position of the robot. First, I introduce details on the calculation of the Cartesian robot position. I present an observer-based structure that uses an acceleration sensor to improve the precision of the robot position signal. Then, I analyze the camera system and present a control structure that adapts the position, orientation and velocity of the robot-guided tool along the contour. Thereafter, I show details of force measurement, whereas I compensate for inertial forces using an acceleration sensor. The last chapter addresses the combination of visual contour-following and force control on compliant workpieces. Under a certain contact force, the workpiece deforms due to its compliance. The position and orientation then is adapted to this deformed contour by visual control -- hence, there is a coupling between force and visual control. This coupling is solved by compensating for workpiece deformation using a dynamic model of the environment. The environmental parameters for compensation are identified online.

Der Vortrag beschäftigt sich mit der Simulation von Handhabungs- Montage- und Fertigungsaufgaben mit Hilfe von einem bzw. mehreren miteinander zusammenarbeitender Industrieroboter. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Herangehensweise für den Aufbau einer solchen Simulation ist. Weiterhin wird auf das Thema der Glättung von Unstetigkeiten nach verschiedenen Verfahren und deren Auswirkung auf die Bahntrajektorie eingegangen.

Ausgehend von einem mit Kraft-/ Momentsensor ausgestatteten seriellen Roboter, wird die kraftbasierte Mensch-Roboter-Interaktion, als ein Spezialfall der Kraft-/ Momentregelung, untersucht. Betrachtet werden dabei sowohl die kinematischen Eigenschaften verschiedener Algorithmen als auch das dynamische Verhalten des Roboters während der kraftgeführten Bewegung (Handführen). Vorgeschlagen für die anschließende Implementierung in reale Steuerungssysteme wird der Ansatz zur kraftgeführten Bewegung im Gelenkraum. Er hat im Vergleich zum kartesischen Algorithmus verschiedene Vorteile. Diese werden an konkreten Beispielen verdeutlicht. Außerdem werden diverse Zusatzfunktionalitäten und Anwendungsfelder vorgestellt. Besondere Erwähnung findet die Problematik der Bedienersicherheit während der Mensch-Roboter-Interaktion. Am Beispiel eines Robotersystems mit sog. offener Steuerung wird untersucht, inwieweit es möglich ist, den Kraft-/ Momentsensor durch einen Algorithmus zum Schätzen von Kontaktkräften und -momenten zu ersetzen. Verwendet werden dabei die Werte der Motorenströme. Darauf basierend wird die kraftgeführte Bewegung des Roboters ohne zusäzliche Sensorik demonstriert.

Ursprünglich wurden Industrieroboter hauptsächlich hinter Schutzzäunen betrieben, um den Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden. Mit der Flexibilisierung der Produktion wurden diese scharfen Trennbereiche zunehmend aufgeweicht und externe Sicherheitstechnik, wie Abstandssensoren, genutzt, um Industrieroboter schutzzaunlos zu betreiben. Ausgehend vom Gedanken dieser Koexistenz bzw. Kooperation wurde die Sicherheitssensorik in den Roboter integriert, um eine wirkliche Kollaboration zu ermöglichen. Diese sogenannten kollaborierenden Roboter, oder Cobots, eröffnen neue Applikationsfelder und füllen somit die bestehenden Automatisierungslücken. Doch welche Automatisierungsvariante ist aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten die geeignetste? Bisherige Forschung untersucht zum Großteil isoliert eine der beiden Technologien, ohne dabei einen Systemvergleich hinsichtlich technologischer Spezifika und Wirtschaftlichkeit anzustellen. Daher widmet sich diese Dissertation einer Methodik zum wirtschaftlichen Vergleich von kollaborierenden Robotern und Industrierobotern in schutzzaunlosen Maschinenbeladungssystemen. Besonderer Fokus liegt dabei auf dem Herausarbeiten der technischen Faktoren, die die Wirtschaftlichkeit maßgeblich beeinflussen, um ein Systemverständnis der wirtschaftlichen Struktur beider Robotertechnologievarianten zu erhalten. Zur Untersuchung werden die Inhalte eines solchen Planungsvorhabens beschrieben, kategorisiert, systematisiert und modularisiert. Auf wirtschaftlicher Seite wird ein geeignetes Optimierungsmodell vorgestellt, während auf technischer Seite vor allem die Machbarkeit hinsichtlich Greifbarkeit, Layoutplanung, Robotergeschwindigkeiten und Zykluszeitbestimmung untersucht wird. Mit deduktiven, simulativen, empirischen und statistischen Methoden wird das Systemverhalten für die einzelnen Planungsinhalte analysiert, um die Gesamtwirtschaftlichkeit mit einem Minimum an Investment,- Produktions,- und Zykluszeitinformationen a priori vorhersagen zu können. Es wird gezeigt, dass durch einen Reverse Engineering Ansatz die notwendigen Planungsdaten, im Sinne von Layoutkomposition, Robotergeschwindigkeiten und Taktzeiten, mithilfe von Frontloading zu Planungsbeginn zur Verfügung gestellt werden können. Dabei dient der Kapitalwert als wirtschaftliche Bewertungsgrundlage, dessen Abhängigkeit vom Mensch-Roboter-Interaktionsgrad in einem Vorteilhaftigkeitsdiagramm für die einzelnen Technologiealternativen dargestellt werden kann. Wirtschaftlich fundierte Entscheidungen können somit auf quantitiativer Basis getroffen werden.:1. Introduction 25 1.1 Research Domain 25 1.2 Research Niche 26 1.3 Research Structure 28 2. State of the Art and Research 31 2.1 Turning Machines and Machine Tending 31 2.1.1 Tooling Machine Market Trends and Machine Tending Systems 31 2.1.2 Workpiece System 34 2.1.3 Machine System 36 2.1.4 Logistics System 39 2.1.5 Handling System 41 2.2 Robotics 43 2.2.1 Robot Installation Development and Application Fields 43 2.2.2 Fenceless Industrial and Collaborative Robots 48 2.2.3 Robot Grippers 55 2.3 Planning and Evaluation Methods 56 2.3.1 Planning of General and Manual Workstations 56 2.3.2 Cell Planning for Fully Automated and Hybrid Robot Systems 59 2.3.3 Robot Safety Planning 61 2.3.4 Economic Evaluation Methods 70 2.4 Synthesis - State of the Art and Research 71 3. Solution Approach 77 3.1 Need for Research and General Solution Approach 77 3.2 Use Case Delineation and Planning Focus 80 3.3 Economic Module – Solution Approach 86 3.4 Gripper Feasibility Module – Solution Approach 89 3.5 Rough Layout Discretization Model – Solution Approach 94 3.6 Cycle Time Estimation Module – Solution Approach 97 3.7 Collaborative Speed Estimation Module – Solution Approach 103 3.7.1 General Approach 103 3.7.2 Case 1: Quasi-static Contact with Hand 107 3.7.3 Case 2: Transient Contact with Hand 109 3.7.4 Case 3: Transient Contact with Shoulder 111 3.8 Synthesis – Solution Approach 114 4. Module Development 117 4.1 Economic Module – Module Development 117 4.1.1 General Approach 117 4.1.2 Calculation Scheme for Manual Operation 117 4.1.3 Calculation Scheme for Collaborative Robots 118 4.1.4 Calculation Scheme for Industrial Robots 120 4.2 Gripper Feasibility Module – Module Development 121 4.3 Rough Layout Discretization Module – Module Development 122 4.3.1 General Approach 122 4.3.2 Two-Dimensional Layout Pattern 123 4.3.3 Three-Dimensional Layout Pattern 125 4.4 Cycle Time Estimation Module – Module Development 126 4.4.1 General Approach 126 4.4.2 Reachability Study 127 4.4.3 Simulation Results 128 4.5 Collaborative Speed Estimation Module – Module Development 135 4.5.1 General Approach 135 4.5.2 Case 1: Quasi-static Contact with Hand 135 4.5.3 Case 2: Transient Contact with Hand 143 4.5.4 Case 3: Transient Contact with Shoulder 145 4.6 Synthesis – Module Development 149 5. Practical Verification 155 5.1 Use Case Overview 155 5.2 Gripper Feasibility 155 5.3 Layout Discretization 156 5.4 Collaborative Speed Estimation 157 5.5 Cycle Time Estimation 158 5.6 Economic Evaluation 160 5.7 Synthesis – Practical Verification 161 6. Results and Conclusions 165 6.1 Scientific Findings and Results 165 6.2 Critical Appraisal and Outlook 173 / Initially, industrial robots were mainly operated behind safety fences to account for the safety requirements. With production flexibilization, these sharp separation areas have been increasingly softened by utilizing external safety devices, such as distance sensors, to operate industrial robots fenceless. Based on this idea of coexistence or cooperation, safety technology has been integrated into the robot to enable true collaboration. These collaborative robots, or cobots, open up new application fields and fill the existing automation gap. But which automation variant is most suitable from an economic perspective? Present research dealt primarily isolated with one technology without comparing these systems regarding technological and economic specifics. Therefore, this doctoral thesis pursues a methodology to economically compare collaborative and industrial robots in fenceless machine tending systems. A particular focus lies on distilling the technical factors that mainly influence the profitability to receive a system understanding of the economic structure of both robot technology variants. For examination, the contents of such a planning scheme are described, categorized, systematized, and modularized. A suitable optimization model is presented on the economic side, while the feasibility regarding gripping, layout planning, robot velocities, and cycle time determination is assessed on the technical side. With deductive, simulative, empirical, and statistical methods, the system behavior of the single planning entities is analyzed to predict the overall profitability a priori with a minimum of investment,- production,- and cycle time information. It is demonstrated that the necessary planning data, in terms of layout composition, robot velocities, and cycle times, can be frontloaded to the project’s beginning with a reverse engineering approach. The net present value serves as the target figure, whose dependency on the human-robot interaction grade can be illustrated in an advantageousness diagram for the individual technical alternatives. Consequently, sound economic decisions can be made on a quantitative basis.:1. Introduction 25 1.1 Research Domain 25 1.2 Research Niche 26 1.3 Research Structure 28 2. State of the Art and Research 31 2.1 Turning Machines and Machine Tending 31 2.1.1 Tooling Machine Market Trends and Machine Tending Systems 31 2.1.2 Workpiece System 34 2.1.3 Machine System 36 2.1.4 Logistics System 39 2.1.5 Handling System 41 2.2 Robotics 43 2.2.1 Robot Installation Development and Application Fields 43 2.2.2 Fenceless Industrial and Collaborative Robots 48 2.2.3 Robot Grippers 55 2.3 Planning and Evaluation Methods 56 2.3.1 Planning of General and Manual Workstations 56 2.3.2 Cell Planning for Fully Automated and Hybrid Robot Systems 59 2.3.3 Robot Safety Planning 61 2.3.4 Economic Evaluation Methods 70 2.4 Synthesis - State of the Art and Research 71 3. Solution Approach 77 3.1 Need for Research and General Solution Approach 77 3.2 Use Case Delineation and Planning Focus 80 3.3 Economic Module – Solution Approach 86 3.4 Gripper Feasibility Module – Solution Approach 89 3.5 Rough Layout Discretization Model – Solution Approach 94 3.6 Cycle Time Estimation Module – Solution Approach 97 3.7 Collaborative Speed Estimation Module – Solution Approach 103 3.7.1 General Approach 103 3.7.2 Case 1: Quasi-static Contact with Hand 107 3.7.3 Case 2: Transient Contact with Hand 109 3.7.4 Case 3: Transient Contact with Shoulder 111 3.8 Synthesis – Solution Approach 114 4. Module Development 117 4.1 Economic Module – Module Development 117 4.1.1 General Approach 117 4.1.2 Calculation Scheme for Manual Operation 117 4.1.3 Calculation Scheme for Collaborative Robots 118 4.1.4 Calculation Scheme for Industrial Robots 120 4.2 Gripper Feasibility Module – Module Development 121 4.3 Rough Layout Discretization Module – Module Development 122 4.3.1 General Approach 122 4.3.2 Two-Dimensional Layout Pattern 123 4.3.3 Three-Dimensional Layout Pattern 125 4.4 Cycle Time Estimation Module – Module Development 126 4.4.1 General Approach 126 4.4.2 Reachability Study 127 4.4.3 Simulation Results 128 4.5 Collaborative Speed Estimation Module – Module Development 135 4.5.1 General Approach 135 4.5.2 Case 1: Quasi-static Contact with Hand 135 4.5.3 Case 2: Transient Contact with Hand 143 4.5.4 Case 3: Transient Contact with Shoulder 145 4.6 Synthesis – Module Development 149 5. Practical Verification 155 5.1 Use Case Overview 155 5.2 Gripper Feasibility 155 5.3 Layout Discretization 156 5.4 Collaborative Speed Estimation 157 5.5 Cycle Time Estimation 158 5.6 Economic Evaluation 160 5.7 Synthesis – Practical Verification 161 6. Results and Conclusions 165 6.1 Scientific Findings and Results 165 6.2 Critical Appraisal and Outlook 173

Der Vortrag beschäftigt sich mit der Simulation von Handhabungs- Montage- und Fertigungsaufgaben mit Hilfe von einem bzw. mehreren miteinander zusammenarbeitender Industrieroboter. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Herangehensweise für den Aufbau einer solchen Simulation ist. Weiterhin wird auf das Thema der Glättung von Unstetigkeiten nach verschiedenen Verfahren und deren Auswirkung auf die Bahntrajektorie eingegangen.

Diese Dissertation befasst sich mit der sensorgeführten Regelung von Industrierobotern zur Konturverfolgung. Beispiele dafür sind das robotergestützte Nähen, Entgraten oder das Auftragen von Dichtmasse entlang von Schweißnähten. Beim Nähen und Entgraten müssen während der Verfolgung der Kontur bestimmte Kontaktkräfte an möglicherweise nachgiebigen Werkstücken eingehalten werden. Dabei ist es in modernen Fertigungsprozessen wichtig, die Bewegung des Roboters mit wenig Einrichtaufwand vorzugeben. Dazu werden Sensorsysteme eingesetzt, die Bildinformationen und Kraftmessungen verarbeiten, um den Roboter mit gewünschter Kontaktkraft entlang sichtbarer Konturen eines Werkstückes zu führen. Der Fokus dieser Arbeit ist die Fusion der Sensordaten, um die Vorteile der einzelnen Sensoren in einer Aufgabe zu vereinen. Es werden Messwerte eines Kraft-Momenten Sensors, einer Kamera, eines Beschleunigungssensors und der kartesischen Position und Orientierung des Roboters verwendet. Zuerst wird die Berechnung der kartesischen Roboterposition untersucht. Es wird ein Beobachter vorgestellt, um unter Verwendung eines Beschleunigungssensors die Präzision des Positionssignales zu erhöhen. Anschließend wird das Kamerasystem untersucht und ein Verfahren vorgestellt, um Geschwindigkeit, Position und Orientierung des robotergeführten Werkzeuges entlang der Kontur vorzugeben. Danach wird auf die Ermittlung von Kontaktkräften eingegangen, wobei die Kompensation von Trägheitskräften mittels Beschleunigungssensoren untersucht wird. Der letzte Abschnitt befasst sich mit der Verbindung von bildgestützter Konturverfolgung und Kraftregelung an nachgiebigen Werkstücken. Durch die Nachgiebigkeit des Werkstückmaterials verformt sich die Kontur bei Kontakt. Durch bildgestützte Konturverfolgung wird eine Anpassung an diese Verformung vorgenommen -- somit besteht über die Verformbarkeit des Werkstückes eine Kopplung zwischen den beiden Regelkreisen. Diese Kopplung wird gelöst, indem auf Basis eines dynamischen Modells der Umgebung eine Kompensation der Werkstückverformung berechnet wird. Die Modellparameter zur Kompensation werden durch online Identifikation ermittelt. / This thesis focuses on the sensor-guided control of industrial robots for contour-following. Examples include the robot-guided sewing, grinding or the application of sealant along weld seams. Grinding and sewing require a certain contact force while following a countour of a workpiece, whereas the worpieces might be compliant. Modern production processes require a fast and simple way to set up the motion of the robot for the required task. Therefore sensor systems are used, which process visual and tactile information to guide the tool at a desired contact force along visible contours of a workpiece. The focus of this work is the fusion of sensor data, used to benefit from the advantages of each of the individual sensors in one control scheme. I combine the measurements of a force-torque sensor, a camera, an acceleration sensor and of the Cartesian position of the robot. First, I introduce details on the calculation of the Cartesian robot position. I present an observer-based structure that uses an acceleration sensor to improve the precision of the robot position signal. Then, I analyze the camera system and present a control structure that adapts the position, orientation and velocity of the robot-guided tool along the contour. Thereafter, I show details of force measurement, whereas I compensate for inertial forces using an acceleration sensor. The last chapter addresses the combination of visual contour-following and force control on compliant workpieces. Under a certain contact force, the workpiece deforms due to its compliance. The position and orientation then is adapted to this deformed contour by visual control -- hence, there is a coupling between force and visual control. This coupling is solved by compensating for workpiece deformation using a dynamic model of the environment. The environmental parameters for compensation are identified online.

Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden sog. sensorgeführte Roboterbewegungen, d. h. die Nutzung von Informationen externer Sensoren zur Regelung des Roboters. Da gängige Industrierobotersysteme üblicherweise positionsgeregelt sind und seitens der Robotersteuerung lediglich der Zugriff zu den Sollwerten der Lageregelkreise erlaubt wird, kann auch der Regelkreis der sensorgeführten Roboterbewegung nur über den Lageregelkreis geschlossen werden. Aus diesem Grunde werden hier nur positionsbasierte Regelungsansätze verfolgt. Die Kraft-/ Momentregelung gilt als eine der wichtigsten Varianten sensorgeführter Roboterbewegungen. Dementsprechend widmet sich auch ein großer Teil dieser Arbeit dem Thema, mit dem Ziel durch innovative und übersichtliche Regelalgorithmen die Akzeptanz der Kraft-/ Momentregelung in industriellen Produktionsprozessen zu erhöhen. Beginnend mit der eindimensionalen Kraftregelung führt der Weg dabei über Konzepte zur Konturenverfolgung und kraft-/ momentgeregelten Montageaufgaben hin zur Kooperation von Robotern. In einem weiteren Teil wird ein Konzept zur Kollisionsvermeidung zwischen Robotern und Hindernissen präsentiert. Es basiert auf dem Ansatz der virtuellen Potential- bzw. Kraftfelder. Dabei ruft das künstliche Feld eine Bewegung des Roboters hervor, die vom Hindernis weg führt. Um das Feld zu erzeugen, wird die Methode der künstlichen Punktladungen entwickelt. Diese werden auf der Oberfläche eines Hindernisses platziert und generieren dann das virtuelle Kraftfeld. Die Platzierung kann z. B. mithilfe der CAD-Daten des Hindernisses erfolgen. Bei bewegten Objekten müssen alle Ladungspositionen ständig aktualisiert werden. Für Lehr- und Präsentationszwecke ist das sog. inverse Pendel eine oft genutzte Regelstrecke. Sein Aufrichten und Stabilisieren ist auch mit Hilfe eines Industrieroboters möglich. Dazu beschäftigt sich ein Kapitel dieser Arbeit mit Fragen zur Modellbildung der Kombination inverses Pendel und Industrieroboter und mit Regelungskonzepten für das Aufschwingen und Balancieren. Letztendlichen wird in diesem Zusammenhang noch ein Visual-Servoing System präsentiert, dass den Neigungswinkel des Pendels mit einer Kamera bestimmt. Alle hier vorgestellten Konzepte und Algorithmen werden Anhand von praktischen Experimenten verifiziert. / This work deals with so-called sensor guided robot motions, which means using the data of external sensors to control the robot. The control loop of the sensor guided robot motion can be only closed around the position control loop, because industrial robot systems usually work position controlled and only access to the desired positions is enabled. For this reason here only position based control approaches are regarded. Force/torque control is a very important type of sensor guided robot motions. According to this, a good portion of this work deals with the subject of force/torque control. Thus, the acceptance of force/torque control in industrial production processes should be increased, by using innovative and clear control algorithms. For this purpose force control in one degree of freedom, contour-following, force/torque controlled assembling tasks and the cooperation between robots are discussed here in different chapters. Thereafter, a concept to collision avoidance between robots and obstacles is presented. It uses the approach of virtual potential/force fields. In this case the artificial field induces a robot motion away from the obstacle. The method of artificial charges is developed to generate this field. For this purpose virtual charges are placed on the surface of the obstacles. Placing of the charges can be performed using e.g. CAD data of the obstacles. Having moving obstacles charge positions must be updated continuously. The inverted pendulum is commonly used teaching students in control theory. The swinging up and the stabilization of the pendulum also can be performed by an industrial robot. One chapter of this work deals with modelling of the robot mounted inverted pendulum and control algorithms for its swinging up and its stabilization. Finally, in combination with the inverted pendulum a visual-servoing system is presented, which measures the pendulum inclination angle by camera. All concepts introduced in this work are verified by practical experiments.

Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden sog. sensorgeführte Roboterbewegungen, d. h. die Nutzung von Informationen externer Sensoren zur Regelung des Roboters. Da gängige Industrierobotersysteme üblicherweise positionsgeregelt sind und seitens der Robotersteuerung lediglich der Zugriff zu den Sollwerten der Lageregelkreise erlaubt wird, kann auch der Regelkreis der sensorgeführten Roboterbewegung nur über den Lageregelkreis geschlossen werden. Aus diesem Grunde werden hier nur positionsbasierte Regelungsansätze verfolgt. Die Kraft-/ Momentregelung gilt als eine der wichtigsten Varianten sensorgeführter Roboterbewegungen. Dementsprechend widmet sich auch ein großer Teil dieser Arbeit dem Thema, mit dem Ziel durch innovative und übersichtliche Regelalgorithmen die Akzeptanz der Kraft-/ Momentregelung in industriellen Produktionsprozessen zu erhöhen. Beginnend mit der eindimensionalen Kraftregelung führt der Weg dabei über Konzepte zur Konturenverfolgung und kraft-/ momentgeregelten Montageaufgaben hin zur Kooperation von Robotern. In einem weiteren Teil wird ein Konzept zur Kollisionsvermeidung zwischen Robotern und Hindernissen präsentiert. Es basiert auf dem Ansatz der virtuellen Potential- bzw. Kraftfelder. Dabei ruft das künstliche Feld eine Bewegung des Roboters hervor, die vom Hindernis weg führt. Um das Feld zu erzeugen, wird die Methode der künstlichen Punktladungen entwickelt. Diese werden auf der Oberfläche eines Hindernisses platziert und generieren dann das virtuelle Kraftfeld. Die Platzierung kann z. B. mithilfe der CAD-Daten des Hindernisses erfolgen. Bei bewegten Objekten müssen alle Ladungspositionen ständig aktualisiert werden. Für Lehr- und Präsentationszwecke ist das sog. inverse Pendel eine oft genutzte Regelstrecke. Sein Aufrichten und Stabilisieren ist auch mit Hilfe eines Industrieroboters möglich. Dazu beschäftigt sich ein Kapitel dieser Arbeit mit Fragen zur Modellbildung der Kombination inverses Pendel und Industrieroboter und mit Regelungskonzepten für das Aufschwingen und Balancieren. Letztendlichen wird in diesem Zusammenhang noch ein Visual-Servoing System präsentiert, dass den Neigungswinkel des Pendels mit einer Kamera bestimmt. Alle hier vorgestellten Konzepte und Algorithmen werden Anhand von praktischen Experimenten verifiziert. / This work deals with so-called sensor guided robot motions, which means using the data of external sensors to control the robot. The control loop of the sensor guided robot motion can be only closed around the position control loop, because industrial robot systems usually work position controlled and only access to the desired positions is enabled. For this reason here only position based control approaches are regarded. Force/torque control is a very important type of sensor guided robot motions. According to this, a good portion of this work deals with the subject of force/torque control. Thus, the acceptance of force/torque control in industrial production processes should be increased, by using innovative and clear control algorithms. For this purpose force control in one degree of freedom, contour-following, force/torque controlled assembling tasks and the cooperation between robots are discussed here in different chapters. Thereafter, a concept to collision avoidance between robots and obstacles is presented. It uses the approach of virtual potential/force fields. In this case the artificial field induces a robot motion away from the obstacle. The method of artificial charges is developed to generate this field. For this purpose virtual charges are placed on the surface of the obstacles. Placing of the charges can be performed using e.g. CAD data of the obstacles. Having moving obstacles charge positions must be updated continuously. The inverted pendulum is commonly used teaching students in control theory. The swinging up and the stabilization of the pendulum also can be performed by an industrial robot. One chapter of this work deals with modelling of the robot mounted inverted pendulum and control algorithms for its swinging up and its stabilization. Finally, in combination with the inverted pendulum a visual-servoing system is presented, which measures the pendulum inclination angle by camera. All concepts introduced in this work are verified by practical experiments.

zweimal im Jahr erscheinende Zeitschrift über aktuelle Themen der TU Chemnitz, ergänzt von Sonderheft(en)