Peg-in-hole insertion

Auch genannt: peg insertion, peg-hole assembly
Kategorie: Planning & manipulation › Manipulation
Schlagwörter: assembly, contact-rich-manipulation, force-control, compliance, benchmark

Das Einsetzen eines Teils in eine eng passende Bohrung; der Standard-Benchmark für kontaktreiche Montage, bei dem das Spiel oft kleiner ist als der Positionierfehler des Roboters.

Definition

Peg-in-Hole-Einsetzen (peg-in-hole insertion) ist die Montageaufgabe, ein Teil, den Stift (peg), mit geringem Spiel in ein passendes Gegenstück, die Bohrung (hole), zu schieben. Sie steht stellvertretend für einen großen Teil realer Montagevorgänge: Wellen in Lager, Stifte in Bohrungen, Stecker in Buchsen und Befestigungselemente in Löcher. Weil die Aufgabe leicht zu formulieren, aber schwer zuverlässig auszuführen ist, dient sie seit Jahrzehnten als Standardtest für Robotermontage und Kraftregelung.

Die Schwierigkeit besteht darin, dass das Spiel meist kleiner ist als der kombinierte Fehler aus Positionierung, Kalibrierung und Wahrnehmung des Roboters. Ein rein positionsgeregelter Roboter, der leicht danebenliegt, verfehlt entweder die Bohrung oder drückt stark gegen ihren Rand. Zuverlässiges Einsetzen nutzt daher den Kontakt: Der Roboter bewegt sich, bis er berührt, leitet aus den gemessenen Kräften und Momenten ab, wie er fehlausgerichtet ist, und korrigiert. Die klassische quasistatische Analyse, insbesondere von Daniel Whitney, beschreibt die beiden wichtigsten Fehlerarten. Verklemmen (jamming) tritt auf, wenn die auf den Stift wirkenden Kräfte und Momente im falschen Verhältnis stehen, um ihn zu bewegen; Verkeilen (wedging) tritt auf, wenn der Stift die Bohrung an zwei Punkten berührt und Reibung ihn festhält. Fasen am Stift oder an der Bohrung und Nachgiebigkeit am Handgelenk helfen, den Stift hineinzuführen. Das am Charles Stark Draper Laboratory entwickelte Remote-Center-Compliance-Element ist ein passives Handgelenk, das sein Nachgiebigkeitszentrum nahe der Stiftspitze anordnet, sodass Kontaktkräfte seitliche und Winkelfehler von selbst korrigieren.

Eine typische aktive Strategie teilt die Aufgabe in Phasen: Annäherung; Suche nach der Bohrung mit einer Spiral- oder Kippbewegung bei leichtem Druck auf die Oberfläche; Ausrichten, sobald der Stift teilweise in die Bohrung fällt; und Einsetzen unter Kraft- oder Impedanzregelung, während auf Verklemmen geachtet wird. Das Sehen übernimmt meist die Grobausrichtung, die Kraftmessung den letzten Bruchteil eines Millimeters. Lernbasierte Verfahren, darunter Reinforcement Learning und Residual-Policies, die zu einem von Hand entworfenen Regler hinzukommen, werden oft an Peg-in-Hole gemessen, ebenso Verfahren auf Kategorieebene, die Teile unterschiedlicher Form ohne Modell jedes Teils einsetzen müssen. Stecker und Schnappverbindungsteile mit nahezu null Spiel fügen die Anforderung hinzu, eine Überdeckung zu überwinden und dabei ausgerichtet zu bleiben.

Warum es wichtig ist

Einsetzen ist einer der häufigsten Vorgänge in der Montage und einer der am schwersten zu automatisierenden ohne präzise Vorrichtungen und Kalibrierung. Verfahren, die es unter Unsicherheit zuverlässig beherrschen, sind ein entscheidender Schritt hin zu flexiblen Montagezellen, die Teile wechseln können, ohne neu konstruiert zu werden.

Wichtige Anwendungen

Fügen von Stiften, Wellen und Lagern in der mechanischen Montage
Einstecken von Kabeln und Steckern in der Elektronikmontage und beim Laden
Benchmarking von Kraftregelung und kontaktreichen Lernverfahren
Einsetzen von Befestigungselementen und Schrauben
Manipulation auf Kategorieebene mit wechselnder Teilegeometrie

In der Praxis

Ein Integrator, der das Einsetzen von Stahlstiften in gefertigte Bohrungen automatisiert, hat einen Roboter, dessen Positionierfehler nach der Kalibrierung größer ist als das Spiel der Bohrung. Statt mehr Genauigkeit hinterherzulaufen, montiert er einen sechsachsigen Kraft-Momenten-Sensor am Handgelenk und betreibt einen Impedanzregler mit geringer seitlicher Steifigkeit. Eine Kamera lokalisiert das Teil auf wenige Millimeter genau. Der Roboter nähert sich über der Bohrung, drückt leicht nach unten und fährt eine kleine Spirale ab; wenn die nach unten gerichtete Kraft abfällt und das gemessene Moment zeigt, dass der Stift einzutreten beginnt, wechselt er in eine Einsetzphase, die nach unten drückt und das Handgelenk seitlich nachgeben lässt. Steigt die Axialkraft vor Erreichen der Zieltiefe über einen Schwellwert, wertet der Regler das als Verklemmen, fährt etwas zurück und versucht es erneut mit einer kleinen Neigungskorrektur auf Grundlage der gemessenen Momente.

Häufige Missverständnisse

Bessere Kalibrierung macht Kraftmessung überflüssig — enges Spiel liegt meist unter dem, was ein Standardroboter und eine Kamera erreichen können, daher bleibt kontaktbasierte Korrektur nötig
Stärkeres Drücken befreit einen festsitzenden Stift — Verklemmen und Verkeilen entstehen durch die Richtung der Kräfte und die Reibung an den Kontakten, und zusätzliche Kraft verschlimmert sie meist
Peg-in-Hole ist ein gelöstes Spielzeugproblem — die einfache Geometrie verbirgt echte Schwierigkeiten mit engem Spiel, flexiblen Teilen, verschiedenen Werkstoffen und unbekannten Teileformen
Nachgiebigkeit muss vom Regler kommen — passive Handgelenknachgiebigkeit, Fasen an den Teilen und die Gestaltung der Vorrichtung können ohne aktive Kraftregelung einen Großteil der Arbeit leisten

Wer das wissen sollte

Montage- und Automatisierungsingenieure
Forschende in Kraftregelung und Manipulation
Forschende im Roboterlernen, die an kontaktreichen Aufgaben arbeiten
Konstrukteure von Teilen und Vorrichtungen für die automatisierte Montage

Open Source Robotics