Kooperative Manipulation mit Zweiarmrobotern an der Grenze der Traglast

• Antragsteller: Dr.-Ing. Andreas Völz
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493539176

Zweiarmroboter verfügen über ein hohes Potential für die Automatisierungstechnik, da mit ihnen Aufgaben umgesetzt werden können, die mit einem Arm alleine nicht möglich sind. Dazu gehört insbesondere die Manipulation großer oder schwerer Objekte, welche die Traglast eines einzelnen Armes überschreiten. Anschauliche Beispiele sind das Bewegen von Getränkekästen, langen Brettern oder Rohren, die auch vom Menschen bevorzugt mit beiden Händen gegriffen werden.Die kooperative Manipulation ist jedoch besonders herausfordernd, da beide Arme zusammen mit dem gegriffenen Objekt eine geschlossene kinematische Kette bilden. Die zugehörigen Beschränkungen reduzieren die Anzahl der Freiheitsgrade und müssen auf den Ebenen von Regelung, Trajektorien- und Pfadplanung berücksichtigt werden. Im Gegenzug hat das System den Vorteil, dass die Last aufgrund der redundanten Aktorik flexibel auf beide Arme aufgeteilt werden kann. Dies ist vor allem bei schweren Objekten entscheidend, da nur so die Beschränkungen der Aktormomente eingehalten werden können. Erstes Ziel des Forschungsvorhabens ist deshalb die Entwicklung einer dynamischen Lastverteilung, die die Beschränkungen der Aktormomente explizit berücksichtigt und damit für große Traglasten geeignet ist. Dazu wird ein optimierungsbasierter Ansatz verfolgt, wobei Effizienz und Echtzeitfähigkeit im Fokus stehen.Darüber hinaus muss diese Lastverteilung auf allen Ebenen berücksichtigt werden, da es andernfalls bei großen Lasten vorkommen kann, dass für einen Pfad keine zulässige Trajektorie berechnet werden kann oder dass eine Trajektorie nicht von der Regelung ausgeführt werden kann. Das zweite Ziel ist folglich die durchgängige Berücksichtigung der dynamischen Lastverteilung. Auf Ebene der Regelung beinhaltet dies neben der isolierten Lösung der optimalen Lastverteilung in jedem Abtastschritt auch den Ansatz einer vorausschauenden modellprädiktiven Regelung. Bei der Trajektorienplanung soll einerseits eine zeitoptimale Trajektoriengenerierung mit unterlagerter Lösung der dynamischen Lastverteilung und andererseits die Erweiterung der modellprädiktiven Regelung auf eine prädiktive Pfadfolgeregelung untersucht werden. Außerdem soll erstmalig eine Pfadplanung für Zweiarmroboter entwickelt werden, welche die Traglast explizit berücksichtigt und mit modularen Erweiterungen auch Kollisionen oder die zusätzlichen Freiheitsgrade einer mobilen Basis einbeziehen kann.Als drittes Ziel ist die umfangreiche experimentelle Validierung der Verfahren zu Regelung, Trajektorien- und Pfadplanung geplant, um das Potential der kooperativen Manipulation mit Zweiarmrobotern auch praktisch zu demonstrieren. Dazu steht am Lehrstuhl für Regelungstechnik ein mobiler Zweiarmroboter mit ergänzendem Motion Capturing System aus dem DFG-Großgeräteantrag 438833210 zur Verfügung. Insbesondere sollen Bewegungen mit großen und schweren Objekten durchgeführt werden, deren Masse in der Größenordnung der kombinierten Traglast beider Arme liegt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen