Entwicklung einer kombinierten inversen Kinematik für einen Roboterarm und seine mobile Plattform

Ringvorlesung Seminar Christoph Schmiedecke Studiendepartment Informatik Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 6. Januar 2011

1

Inhaltsverzeichnis



Rückblick

 Anwendung 1  Projekt 1  Anwendung 2  Projekt 2  Stand der Dinge nach Projekt 2  Masterarbeit  Zusammenfassung

2

Anwendung 1

 Thema: Entwicklung einer allgemeinen inversen Kinematik  Ziel: Grundlegende Kenntnisse zu Robotern und ihrer Steuerung erwerben und verstehen      Bewegungsapparat und Bewegungsablauf Koordinatensysteme Denavit-Hartenberg-Notation Vorwärts- und Rückwärtskinematik Mögliche kinematik-spezifische-Problemstellungen  Fragestellung: Wie lässt sich eine anwenderfreundliche Robotersteuerung für (variable) Roboter entwickeln

Projekt 1

 Thema: Erste Schritte zur Entwicklung einer allgemeinen dynamischen inversen Kinematik  Ziel: Beispielhafte Entwicklung einer inversen Kinematik anhand eines 2DOF-Gelenkarmroboters (zweidimensional => einfach)   Verstehen und anwenden der mathematischen Zusammenhänge Manuelle Durchführung sämtlicher Einzelschritte   Entwicklung einer ersten inversen Kinematik Steuerung über einzugebende Koordinaten möglich 3  Zusammenfassung: Die Grundlage für weitere Überlegungen und Tests wurde geschaffen

Anwendung 2

 Thema: Differenzierung von Robotern in Industrie und Service  Ziel: Erkennen von Problemen bei der Steuerung von Robotern in verschiedenen Aufgabenbreichen  Einblick in typische Aufgabenbereiche   Pick and Place Bin-Picking  Herausforderungen und Problemstellungen     Statische / Dynamische Umgebung Objekterkennung Positionsbestimmung Wegplanung 4  Zusammenfassung: Neben Problemen der Kinematik wurden Problemstellungen für den Umgang mit Robotern erfasst und Lösungsvorschläge aufgezeigt

Projekt 2

 Thema: Erweiterung der 2DOF-Roboterarms aus Projekt 1 um Schubgelenke  Ziel: Wie ändert sich die inverse Kinematik, wenn die Bewegung der mobilen Plattform integriert wird?

   Mathematische Realisierung Funktionsweise und Handhabbarkeit Auftretende Probleme 5  Erkenntnisse: Thema für Masterarbeit bzw. nötige Einschränkungen erkennen oder Ziele ändern

Stand der Dinge nach Projekt 2

6  Was liegt vor?

     Informationen zur Entwicklung einer inversen Kinematik Problemstellungen bei der Entwicklung einer inversen Kinematik Prototyp einer inversen Kinematik (ohne Einschränkungen) Problemstellungen die über die reine Armbewegung hinausgehen Prototyp einer kombinierten (Arm + mobile Plattform) inversen Kinematik  Was muss noch beachtet werden?

  Einschränkung der Bewegung Optimierung der Bewegung über eigene Trajektorienplanung  Hinderniserkennung   Dynamisches Verhalten Kombination mit Sensoren

7

Inhaltsverzeichnis

 Rückblick 

Masterarbeit

    Idee Problemstellungen Herausforderungen Erweiterungen  Zusammenfassung

8

Masterarbeit – Idee

 Thema: Entwicklung einer kombinierten inversen Kinematik für einen Roboterarm und seine mobile Plattform  Idee: Eine Kinematik für Alles   Keine traditionelle Trennung zwischen der Bewegung des Arms und der Bewegung der mobilen Plattform Für beliebige Roboter verwendbar    Keine physikalischen Begrenzungen => Kann mehr als die Realität Sehr flexible Bewegungen möglich Basis bildet der vorhandene Scitos G5

9

Masterarbeit – Problemstellungen 1 / 3

 Einschränkungen müssen beachtet und integriert werden       Roboterbewegung (Armbewegung, Bewegung im Raum) Bewegungsmöglichkeiten der mobilen Plattform Fahrverhalten (Armverhalten während der Fahrt) Zeitliche Bewegung des Roboters (z.B. Gelenkgeschwindigkeiten) Aufbau des Scitos G5 (2 redundante Drehachsen) Mathematische Probleme (Singularität, Mehrdeutige Lösungen, keine Lösungen, …)

10

Masterarbeit – Problemstellungen 2 / 3

 Einschränkungen bei der Roboterbewegung    In den Gelenken des Roboters (Gelenkbeschränkungen) Durch den Aufbau des Roboters (roboterfeste Beschränkungen) Bei der Bewegung im Raum (äußere Hindernisse)

11

Masterarbeit – Problemstellungen 3 / 3

 Einschränkungen der mobilen Plattform  Zwei Antriebsräder, ein feststehendes Rad   Keine Rotation auf der Stelle Nur Kurvenbewegungen möglich

Masterarbeit – Herausforderungen 1 / 2

 Einschränkung der Mathematik   Einschränkung bei Bewegung und Anfahrt Einschränkung je nach Robotertyp / Robotermöglichkeiten  Trajektorienplanung   Armbewegung möglich?

Plattformbewegung möglich?

 Hindernisse im Raum?

 Objektanfahrt  Wie wird das Objekt am besten angefahren 12  Testen verschiedener Szenarien  Keine Einschränkungen, Gelenkeinschränkungen, Hindernisse, …

13

Masterarbeit – Herausforderungen 2 / 2

 Performance    Geschwindigkeit der Berechnung in Echtzeit Geschwindigkeit der Trajektorienplanung Anpassungsaufwand für neue Robotertypen  Implementierung   Vorerst Matlab Andere Systeme  Praxistauglichkeit  Anwendung auf echten Roboter

14

Masterarbeit – Erweiterungen

 Verwendung von Sensoren  Robotereigene Sensoren: Sonar, Laser, …   Hinderniserkennung Distanzbestimmung  Externe Sensoren: Kameras oder Raumsystem    Objektauffindung / -verfolgung Hinderniserkennung Zielkoordinaten bestimmen  Anwendung auf verschiedene Robotertypen  Verwendung verschiedener Endeffektoren  Auswirkungen bei der Verwendung verschiedener Endeffektoren

15

Inhaltsverzeichnis

 Rückblick  Masterarbeit 

Zusammenfassung

16

Zusammenfassung

 Kombination von Armbewegung und Roboterfahrt in einem Verfahren  Herausforderung liegt in der Einschränkung der Berechung während der verschiedenen Bewegungsphasen und in der speziellen Trajektorienplanung  Entscheidung für weiteres Vorgehen nach Projekt 2 und einer möglichen Testphase vor der Masterarbeit

Quellen

Bilderquellen     (S. 2) Katana: http://www.neuronics.com/ (S. 4) Care-O-Bot: http://www.care-o-bot.de/ (S. 4) Bin-Picking Robot: http://www.ah automation.se/images/ah_automation_bin-picking__plockni_109.jpg

(S. 8) Scitos G5: http://www.metralabs.com