Dreidimensionale Positionsregelung von flexiblen Roboterarmen und Manipulatoren auf Basis von Funkortungssystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei dem in diesem Projekt entwickelten Regelungskonzept geht es darum, den Manipulator (Tool Center Point, TCP) auf festgelegten Arbeitspunkten oder entlang einer definierten Trajektorie exakt zu positionieren. Ein wesentliches Merkmal des Konzeptes ist die präzise Absolutortung des TCPs in einer Umgebung in der der Funkkanal durch Mehrfachreflexionn sehr stark gestört wird. Erreicht wird das gesteckte Ziel durch einen neuartigen Funkortungsansatz basierend auf Apertursynthese-Verfahren. Eine absolute radarbasierte Ortung ist vor allem dann von Vorteil, wenn flexiblen Roboterarme zum Einsatz kommen sollen, da dann die Information von Relativ-Sensoren unzureichend ist. Im Gegensatz zu anderen Technologien kann Radar auch in staubigen / nebeligen Umgebungen mit Temperatur- und Druckschwankungen eingesetzt werden. Herkömmlich starre Roboterarme zeichnen sich durch ein hohes Gewicht aus und sind darüber hinaus teuer in der Herstellung. Flexible Roboterarme sind leicht und kostengünstig in der Herstellung und die elastische Struktur erlaubt verbesserte Sicherheit und mehr Freiheitsgrade in der Bewegung. Für das IAT: Die zentrale Aufgabenstellung für das IAT im Forschungsprojekt bestand im Entwurf des Positionierungskonzepts für das Robotersystem. Als Einzelkomponenten waren dazu nichtlineare Multiratenbeobachter mit Messverzögerungen, die Trajektorienplanung und der Entwurf nichtlinearer stationär genauer Regelungen zu berücksichtigen. Für das Robotersystem wurde ein nichtlineares Multiratenfilter entworfen, das auch verzögerte Messungen optimal berücksichtigen kann. Um freie Trajektorien mit festgelegtem Geschwindigkeitsprofil vorgeben zu können, wurde ein neuartiges Paket zur komfortablen Trajektorienplanung entwickelt und implementiert. Signifikante Merkmale dieses Konzeptes sind die Vorgabe von Soll-Geschwindigkeiten bzw. –Beschleunigungen entlang der Trajektorie sowie ein konsequent modularer Aufbau der Planungsprozedur. Ein weiterer Schwerpunkt des Forschungsprojektes waren Untersuchungen zu alternativen Sensorkonzepten und die Betrachtung von Methoden zum Abfangen von Sensorfehlern. Im Verlauf des Projektes wurde der starre Roboterarm durch eine flexible Struktur ersetzt. Nach der Identifikation des mechatronischen Systems, bestehend aus Piezosensoren, Piezoaktoren und dem flexiblen Arm, wurden auf Basis des Systemmodells Regelungen zur aktiven Schwingungsdämpfung implementiert und getestet. Das Gesamtpositionierungskonzept, jeweils mit starrem und flexiblem Arm, wurde gemeinsam mit dem MISAS-Ortungssystem auf dem dSPACE-Echtzeitsystem implementiert und erfolgreich getestet. Das Thema der Multiratenbeobachtung wurde aufgesplittet in die Betrachtung linearer und nichtlinearer Systeme. Im Förderprojekt wurden die Ansätze zum Entwurf linearer Multiratenbeobachter aus dem Vorgängerprojekt aufgegriffen und weiterentwickelt. Die neuen Verfahren ermöglichen eine effiziente und ressourcenschonende Zustandsschätzung linearer Multiratenabtastsysteme im schnellen Abtastraster. Damit wurden Methoden entwickelt, die über den durch das Förderprojekt gesteckten Rahmen hinaus Anwendung finden können. Die gewonnenen Erkenntnisse können in weiterführenden Forschungsarbeiten genutzt werden, um neue Ansätze für den Entwurf schneller Multiratenregelungen zu untersuchen. Für den LHFT: Im Rahmen dieses Projekts wurde ein neuartiges multilaterales inverses synthetisches Apertur Sekundärradar (MISAS)-Konzept für eine Echtzeit-TCP-Ortung entwickelt und implementiert. Die Simulationsergebnisse des ersten Projektabschnitts wurden dabei anhand eines funktionsfähigen Demonstratorsystems mit starrem Arm, welches das Abfahren einer Trajektorie möglich macht, experimentell verifiziert. Es wurde gezeigt, dass es möglich ist, den TCP mit einer absoluten Genauigkeit im Millimeterbereich zu orten. Weiterhin wurden Fehlermodelle zur Erkennung und Kompensation von Sensorfehlern untersucht und bei der Trajektorienfolgeregelung für den flexiblen Roboterarm berücksichtigt. Darüber hinaus wurde ein Funkortungsverfahren implementiert, das zusammen mit dem MISAS und unter Verwendung der Signalphase und der Position der Radareinheiten die Auslenkung eines flexiblen Arms bestimmen kann. Durch die Einbeziehung des Verfahrens zum Selbsteinmessen bzw. Selbsteinlernen der Systemgeometrie konnten die Ortungsergebnisse deutlich verbessert werden. Es wurden ein Verfahren und ein Algorithmus entwickelt, mit dem sich die Phasenzentren der ortsfesten Antennen, die den Bezug zum Weltkoordinatensystem bilden, anhand von Informationen der Relativsensorik und der Radareinheiten in-situ ohne zusätzliche Messtechnik bestimmen lassen. Mit dem Verfahren können zudem alle unbekannten Laufzeiten in einer Radarstation ermittelt und kompensiert werden. Im Rahmen des Projekts wurde erstmals ein erweitertes MISAS-Verfahren zur Bestimmung der TCP- Orientierung erarbeitet. Es wurde gezeigt, dass sich die Orientierung des TCPs durch Einsatz mehrerer Transponder mit fest gekoppelter Geometrie ermitteln lässt, ohne dass sich dabei der Rechenaufwand drastisch erhöht. Hierbei wurde bei der Orientierungsschätzung beim aufgebauten Versuchstand eine Genauigkeit von unter 1 Grad erreicht. Durch Kombination der Verfahren aus den Arbeitspaketen 2-4 und durch Integration in ein finales Demonstrationssystem in dem die Position eines flexiblen Roboterarms mittels Funkortung geregelt wird, konnten die verwendeten Algorithmen experimentell verifiziert werden. Beim Zusammenspiel von Absolutsensorik und Multiratenregelung lassen sich Genauigkeiten im Millimeterbereich erreichen. Wie sich zeigte, ergeben sich besonders gute Ergebnisse bei kreisförmigen Aperturen. Lange Aperturen bei niedriger Verfahrgeschwindigkeit aufzunehmen bedeutet, dass das Echtzeitsystem lange auf die Aufnahme des nächsten sinnvollen Messpunkts warten muss. Hier empfiehlt es sich die Ergebnisse der MISAS Rekonstruktion um Ergebnisse zu ergänzen, die mit Hilfe der Signalphase und der Kenntnis der Referenzpunkte gewonnen werden können. So können bei der gegebenen Update-Rate von 66 ms bereits niederfrequente Schwingungen eines flexiblen Arms detektiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A Novel Sequential Monte Carlo Method Based Synthetic Aperture Reconstruction Approach for Real-Time 3D Wireless Local Positioning, Frequenz: Journal of RF-Engineering and Telecommunications, vol. 66, no. 11-12, pp. 363-371, Nov. 2012
Li, Gang; Ebelt, Randolf and Vossiek, Martin
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Efficient Observer Design for Linear Multirate Sampled Systems Using a Pole Placement Technique. In: Proceedings of the 2014 GAMM Annual Meeting, Erlangen, 2014
Voigt, Thorsten; Konigorski, Ulrich
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Efficient State Estimation for Linear MultirateSampled-Data Systems in a Linear Time-Invariant State Representation. In: Proceedings of the 14th Mechatronics Forum International Conference, Karlstad, Schweden, 2014, S. 210–217
Voigt, Thorsten; Van De Hoef, Sebastian; Konigorski, Ulrich
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Entwurf von Zustandsschätzern für Multiratenabtastsysteme zur Lageregelung eines Roboterarms, Technische Universität Darmstadt, Dissertation, 2014
Voigt, Thorsten
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Innovative abbildende Sekundärradarkonzepte mit synthetischen Aperturen für die ultrapräzise Ortung und Verfolgung eines Backscatter-Transponders in Mehrwegeumgebungen, Friedrich-Alexander-Universität Nürnberg-Erlangen, Dissertation, 2014
Li, Gang
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Position Control of a Robot End-Effector Based on Synthetic Aperture Wireless Localization. In: Proceedings of the 2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Chicago, USA, 2014
Marschall, Albert; Voigt, Thorsten; Li, Gang; Konigorski, Ulrich; Vossiek, Martin
