Bildbasierte Positionsregelung und Schwingungsdämpfung elastischer Roboterarme im Kontext effizienter menschzentrierter Automatisierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Torsten Bertram
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 166387581

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Assistenzroboter für den häuslichen Alltag wie auch für die flexible Fertigung ist heute nach wie vor eine Vision. Die Ursache hierfür ist die unverantwortbare Verletzungsgefahr, die von konventionellen Robotern im Fall einer Kollision mit dem Menschen ausgeht. Der zur Verwirklichung erforderliche Paradigmenwechsel besteht in der Abkehr von der bisher vorherrschenden Massivbauweise und der gezielten Einführung struktureller Nachgiebigkeit. Mit den moderat gelenkelastischen aber gliedsteifen Leichtbauarmen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrttechnik (DLR) sind diesbezüglich bei Antragsstellung bereits Ergebnisse eindrucksvoll demonstriert worden. Bei dem für das Vorhaben entwickelten mehrgliedrigen Experimentalsystem TUDOR (Technische Universität Dortmund omnielastischer Roboter) sind die elastischen Eigenschaften hingegen entlang der einzelnen Armkörper verteilt. Schwingungsamplituden des Endeffektors liegen in der Größenordnung von 10 cm. Die dominanten Eigenfrequenzen liegen im Bereich von bis zu 10 Hz, sodass die Schwingungseffekte sowie der Dämpfungserfolg unter Gravitationseinfluss bei diesem Experimentalsystem deutlich sichtbar in Erscheinung treten. Das Vorhaben untersuchte damit den ergänzenden Ansatz, die Massenreduktion und die intrinsische Nachgiebigkeit durch bewusst zugelassene elastische Effekte in den Roboterarmkörpern zu realisieren. Es ist zu erwarten, dass die erarbeiteten Erkenntnisse zur Regelung serieller Kinematiken mit elastischen Komponenten sind über den motivierenden Themenkomplex zukünftiger Roboterassistenten hinaus auf Maschinen, wie beispielsweise Betonpumpen, Hubwagen und Feuerwehrdrehleitern übertragbar sind. Die an TUDOR auftretenden unerwünschten Armschwingungen werden durch das entwickelte Regelungskonzept erfolgreich gedämpft. Die Schwingungsdämpfung wurde zum einen über entlang der Armstruktur verteilte Dehnungsmessungen realisiert. Darüber hinaus ging das Vorhaben davon aus, dass in vielen Roboteranwendungen mit physischer Interaktion Kameras als Sensoren zum Einsatz kommen. Im Zuge dessen lag daher der Fokus des ersten Förderzeitraums auf der Mehrfachnutzung der in den aufgenommenen Bildfolgen einer solchen Kamera enthaltenen Bewegungsinformationen zur schwingungsgedämpften und lastunabhängigen Positionierung von TUDOR. Alternativ zur lastunabhängigen kamerabasierten Relativpositionierung des Endeffektors gegenüber einer Zielansicht wurde eine modellbasierte Inverse-Kinematik-Regelung entwickelt. Die Kombination der Schwingungsdämpfung mit der inversen Kinematik erlaubt ein schnelles und dennoch genaues Positionieren des Endeffektors. Hierzu wurde ein Demonstrator realisiert. Dabei wirft ein menschlicher Werfer dem gliedelastischen Roboter aus einer Entfernung von etwa 6 m nacheinander mehrere Bälle zu. TUDOR fängt die Bälle nacheinander in einem als End-Effektor montierten Netz. Damit hat das Vorhaben bereits einen sichtbaren Beitrag zur Regelung gliedelastischer Mehrkörpersysteme geleistet. Die erfolgreiche Dämpfung auftretender Armschwingungen erlaubt im zweiten Förderzeitraum darüber hinausgehend eine vereinfachte dehnungsbezogene Modellbildung für den gliedelastischen Roboterarm. Darauf aufbauend wurde eine Admittanzregelung sowie eine Kollisionsdetektion und -reaktion für TUDOR entwickelt. Damit stößt das Vorhaben über die reine Schwingungsdämpfung hinaus in das Themenfeld der Kraftregelung innerhalb der Robotik vor und bekräftigt theoretisch wie auch auf Basis von Experimenten die Hypothese über die vorhandenen Potenziale gliedelastischer Roboterarme.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Data Based Kinematic Model of an Flexible-Link Robot Arm for Dynamic Loads. In: International Conference on Robotics and Biomimetics , 2011, IEEE
  Phung, A.S. ; Malzahn, J. ; Hoffmann, F. ; Bertram, T.
  
• Vibration Control of a Multi-Flexible-Link Robot Arm under Gravity. In: International Conference on Robotics and Biomimetics, 2011, IEEE
  Malzahn, J. ; Phung, A.S. ; Hoffmann, F. ; Bertram, T.
  
• A Multi-Link-Flexible Robot Arm Catching Thrown Balls. In: Proceedings of the 7th German Conference on Robotics; ROBOTIK 2012; VDE, 2012, S. 1–6
  Malzahn, J. ; Phung, A.S. ; Bertram, T.
  
• Bildbasierte Regelung eines gliedelastischen Roboterarms mit einem RGB-D-Sensor. In: at-Automatisierungstechnik 60 (2012), Nr. 5, S. 246–259
  Malzahn, J. ; Phung, A.S. ; Hoffmann, F. ; Bertram, T.
  
• Predictive delay compensation for camera based oscillation damping of a multi link flexible robot. In: Intelligent Robotics and Applications. Springer, 2012, S. 93–102
  Malzahn, J. ; Phung, A.S. ; Bertram, T.
  
• Scene adaptive RGB-D based oscillation sensing for a multi flexible link robot arm in unstructured dynamic environments. In: 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) IEEE, 2012, S. 1017–1022
  Malzahn, J. ; Phung, A.S. ; Bertram, T.