ROBOTICS

„RedRobCo“ – Redundant Robot Control

Analyse und Regelung kinematisch redundanter Manipulatoren

Projektziel

Das Projekt Redundant Robot Control (RedRobCo) befasst sich mit redundanten, seriellen Manipulatoren im Kontext von Mensch-Roboter Kollaboration und Roboter-Sicherheit. Dabei werden sowohl stationäre als auch mobile Robotersysteme berücksichtigt.

Hauptfokus des Projekts ist die Analyse und Entwicklung von Methoden zur effektiven Ausnützung von Roboter-Freiheitsgraden. Diese soll es dem Robotersystem ermöglichen, zusätzlich zur korrekten Ausführung einer spezifizierten Bewegungsaufgabe verschiedene Optimierungsziele zu realisieren (z.B. sichere, ergonomische und effiziente Mensch-Roboter-Kollaboration, Hindernisvermeidung, Singularitätsvermeidung, minimale Ausführungszeit, minimaler Energieverbrauch, maximale Präzision). Roboter-Plattformen, die in diesem Zusammenhang betrachtet werden, sind unter anderem KUKA iiwa, Schunk 9 DOF LWA, CUMA und UR3.

Inhaltlich gliedert sich das Projekt in die folgenden drei Teile:

  • Analyse von stationären und mobilen redundanten seriellen Manipulatoren
  • Multi-prioritäre, inhärent sichere Regelung redundanter serieller Manipulatoren
  • Nachgiebige Ganzkörperregelung von mobilen Manipulatoren
Projekt-beschreibung

Im Rahmen des Projekts RedRobCo beschäftigen wir uns mit Robotersystemen, die über mehr kinematische Freiheitsgrade verfügen, als für die Ausführung einer geplanten Tätigkeit zwingend erforderlich sind - es sind also kinematische Redundanzen vorhanden. Im Forschungsfokus steht dabei die gezielte Ausnutzung dieser Redundanzen, um neben der eigentlichen Hauptaufgabe (im Allgemeinen eine Bewegungsaufgabe des am Roboter montierten Werkzeuges) noch weitere Nebenbedingungen berücksichtigen und optimieren zu können (z.B. Hindernisvermeidung, Singularitätsvermeidung, maximale Präzision/Kraft, minimaler Energieverbrauch, minimale Ausführungszeit, optimale Kraftschätzung).

Darüber hinaus soll im Zuge des Projekts die instinktive Redundanzausnutzung des Menschen erforscht werden. Dieses Verhalten wurde durch viele Generationen und über Jahrtausende hinweg gelernt. Daher haben Erkenntnisse über jene Kriterien, die uns unbewusst bei der Wahl der optimalen Körperhaltung beeinflussen, zukünftig ein großes Potential für den Einsatz in der Robotik. Als einfaches Beispiel kann hier der Vergleich zwischen dem Schreiben auf einer Tafel und dem Eindrehen einer Schraube in die Wand herangezogen werden. Da beim Schreiben weniger Kraft aber eine hohe Genauigkeit benötigt wird, wählt man hier üblicherweise eine Armhaltung, bei welcher der Ellenbogen sich nahe am Körper befindet. Beim Schrauben hingegen steht der Kraftaufwand im Vordergrund, das heißt hierbei wird eine Armhaltung bevorzugt, bei der die Verbindungsgerade von Ellenbogen und Handgelenk der gewünschten Kraftrichtung entspricht.

Das generierte Wissen über die natürliche Redundanzausnützung soll in weiterer Folge auf die Robotik übertragen werden. Dafür stehen die redundanten, seriellen Manipulatoren KUKA LBR iiwa mit 7 Freiheitsgraden sowie Schunk 9-DoF LWA mit 9 Freiheitsgraden zur Verfügung. Von besonderem Interesse ist dabei die globale Redundanzauflösung. Während für die Planung weiterer Bewegungen derzeit meist nur ein kleiner Bereich des Lösungsraumes rund um die aktuelle Roboterkonfiguration betrachtet wird, soll im Zuge des Projektes die notwendige Basis zur Betrachtung des gesamten Lösungsraums geschaffen werden. Durch den Einsatz solcher globalen Methoden kann das Erreichen und Verharren in lokalen Minima vermieden werden. Dies stellt einen sehr bedeutenden Schritt in der Roboterforschung dar.

Bewegung des KUKA LBR iiwa am Redundanzkreis

Bewegung des KUKA LBR iiwa am Redundanzkreis
Fotocredits: JOANNEUM RESEARCH

Redundanter serieller Manipulator Schunk 9-DoF LWA

Redundanter serieller Manipulator Schunk 9-DoF LWA

Ein ebenso wichtiger Forschungsinhalt dieses Projekts ist die Ausnutzung bzw. Handhabung der Redundanzen bei mobilen Manipulatoren, welche eine Kombination aus seriellem Manipulator und mobiler Plattform darstellen. Hierbei muss entschieden werden, ob eine Änderung der Endeffektor-Lage durch (1.) Bewegungen des Roboterarmes, (2.) der mobilen Plattform oder (3.) durch eine Kombination aus beiden erzielt werden soll. Als Entscheidungskriterien können exemplarisch die erreichbare Genauigkeit der Bewegungsausführung sowie fahrwerksbedingte Beweglichkeitseinschränkungen der mobilen Plattform genannt werden. Auch in diesem Fall dient ein Vergleich mit dem menschlichen Verhalten als Leitbild: Wollen wir ein von uns weiter entferntes Objekt bearbeiten, so benutzen wir zuerst unsere Beine, um in die Nähe des Objektes zu kommen. Die Positionierung ist dabei nicht sehr genau, was aber problemlos mit den Händen ausgeglichen werden kann, sofern wir diese Abweichungen mit unseren Sinnesorganen erfassen. Umgekehrt ist es bei der Reaktion auf äußere, auf unsere Hand einwirkende, Kräfte. Typischerweise geben wir zuerst mit den Armen nach, bevor wir unseren Rumpf bzw. unsere Beine bewegen.

Bewegung im Nullraum des mobilen Manipulators CHIMERA

Bewegung im Nullraum des mobilen Manipulators CHIMERA, Fotocredit: JOANNEUM RESEARCH

Mobile Forschungs-plattformen

Im Projekt kommen die folgenden mobilen Forschungsplattformen zum Einsatz:

CHIMERA

Der mobile Manipulator namens „CHIMERA“ besteht aus der mobilen Plattform „MIR100“ von Mobile Industrial Robots ApS, kombiniert mit dem seriellen Manipulator „UR10“ von Universal Robots A/S. Als Prototyp bietet diese mobile Forschungsplattform im Laboreinsatz die Möglichkeit, neue Algorithmen zu entwickeln und zu testen. Eine Herausforderung stellt dabei die eingeschränkte Beweglichkeit der mobilen Basis aufgrund des Differential-Drives dar.

Mobiler Wabenmanipulator

Diese mobile Forschungsplattform wurde selbst entwickelt und ermöglicht dank der modularen Bauweise beliebige Rad-Kombinationen und verschiedene Anordnungen. Während die Variante mit ausschließlich omnidirektionalen Rädern beliebige Bewegungen in der Grundebene zulässt, bringt die Kombination mit gelenkten Standardrädern Einschränkungen mit sich. Die Realisierung einer ganzkörperlichen Nachgiebigkeitsregelung, sowie auch der Umgang mit den unterschiedlichen Genauigkeiten bei der Bewegungsdurchführung von mobiler Plattform und seriellem Manipulator stehen dabei im Forschungsfokus.

 

Mobiler sensitiver Manipulator CHIMERA

Mobiler sensitiver Manipulator CHIMERA
Fotocredits: JOANNEUM RESEARCH

Mobiler Wabenmanipulator

Mobiler Wabenmanipulator

Fördergeber

Gefördert vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie im Rahmen der Förderungsvereinbarung 2015-2018.