Steuerung für redundante Robotersysteme: Benutzer- und aufgabenorientierte Verwendung der Redundanz

Abstract

In Zukunft ist ein großes Marktpotenzial in der maschinellen Bearbeitung von Dienstleistungsaufgaben ("Service Robotik"), wie z.B. zur Unterstützung behinderter oder älterer Menschen, in der Sicherheitstechnik, der Reinigungstechnik, der Raumfahrt, zu erwarten. Dort werden flexibel nutzbare und mit Sensoren ausgestattete Roboter gebraucht, da in diesen apriori unbekannten Umgebungen nicht alles voraus geplant und simuliert werden kann.

Für diese Anwendungen werden Roboter benötigt, die leicht sind und dennoch Kraft ausüben können, die effizient und flexibel Kollisionen vermeiden können, die interaktiv auf Menschen reagieren können, während sie ihre Aufgaben verrichten, wie z.B. eine Last halten und dennoch auf Berührung ausweichen. Typischerweise können diese Aufgabenstellungen mit Hilfe von kinematisch redundanten Robotern erfüllt werden, da hier zusätzliche Freiheitsgrade vorhanden sind, mit denen auf variierende Aufgabenstellungen und veränderliche Umwelteinflüsse reagiert werden kann.

Zur Nutzung von kinematisch redundanten Robotern wurden bereits viele Algorithmen und Methoden entwickelt. Ausgehend von den am Institut für Robotik und Mechatronik entwickelten Systemen einer neuen Robotergeneration ist es nun möglich, ein Rahmenkonzept zur Nutzung von redundanten Robotern zu schaffen, analog zu früheren Tagen, als Interpolatoren, Kinematik, inverse Kinematik etc. zu Industrierobotersteuerungen zusammengefasst wurden, die damit den Industrierobotern zum Durchbruch verhalfen.

Daher wird in dieser Arbeit ein Konzept zur Nutzung und Bedienung kinematisch redundanter Roboter entwickelt. Aufgrund der Tatsache, dass sehr viele verschiedene Verwendungszwecke der kinematischen Redundanz möglich sind, die einander möglicherweise sogar widersprechen, ist die Wahl solcher Verwendungszwecke, Methoden und Algorithmen sehr aufgabenspezifisch.

Im ersten Teil der Arbeit werden Algorithmen und Methoden zur Verwendung der kinematischen Redundanz einander gegenübergestellt, aus diesen wird ein weittragender Algorithmus ausgewählt und in der Tiefe untersucht. Dieser wird in vielen verschiedenen Anwendungsfeldern eingesetzt, wie in der Singularitätsbehandlung, verschiedenen Verwendungszwecken der kinematischen Redundanz und der interaktiven intuitiven Verwendung von redundanten Manipulatoren. Im zweiten Teil wird eine Systemarchitektur und eine Benutzerschnittstelle konzipiert, mit der ein Nicht in die Lage versetzt wird, einen kinematisch redundanten Roboter zu bedienen.

Eines der Hauptergebnisse aus der Gegenüberstellung der verschiedenen Algorithmen zur Behandlung kinematischer Redundanzen ist, dass es nicht "den Besten" gibt. Daher sollte die Einbettung mehrerer verschiedener Algorithmen in die Systemarchitektur eines ServiceRoboters vorgesehen werden. Ein weiteres Ergebnis ist, dass durch die Wahl von Methoden der "Constraint Optimization" anstelle der weitverbreiteten Moore-Penrose Pseudo Inverse Anforderungen realer Systeme, wie z.B. endliche Gelenkgeschwindigkeiten, leicht eingebettet werden können. Auch die Koordination von hochgradig redundanten mobilen Manipulatoren Nebenbedingungen kann mit solchen konvexen Optimierungsproblemen in Echtzeit behandelt werden. Die Behandlung von Singularitäten nutzt eben diese Ungleichungs-Nebenbedingungen. Die Singularitätsbehandlung wird in dieser Arbeit an nicht-redundanten Industrierobotern untersucht, der Formalismus wird danach auf redundante Manipulatoren ausgedehnt.

In der Erweiterung des Formalismus auf redundante Manipulatoren werden verschiedene Verwendungszwecke untersucht, wie z.B. Geschicklichkeitssteigerung, Sollkonfiguration, Kollisionsvermeidung, interaktive Verwendung der Redundanz etc. Weiterhin werden Punkt-zu-Punkt-Bewegungen untersucht, da durch die Verwendung numerisch iterativer Algorithmen die Konvergenz in Echtzeit nicht garantiert werden kann. Diese Betriebsart wird exemplarisch beim Einfangen eines geworfenen Balles erprobt.

Interaktive intuitive Beherrschung der kinematischen Redundanz ist ein wichtiges Thema, um einem Bediener das Vormachen von Aufgaben mit einem Roboter zu ermöglichen. Während bei den nicht das Vormachen der Aufgabe im Bezug auf das Werkzeug ausreicht, muss bei redundanten Manipulatoren zusätzlich die kinematische Redundanz betrachtet werden. Das interaktive Konzept wird dann auf die Aufgabenausführung ausgedehnt, was am Beispiel des inversen Pendels exemplarisch untersucht wird.

Eine Systemarchitektur wird konzipiert, in der es möglich ist, viele verschiedene Algorithmen und Methoden zu verwalten, diese mit Daten zu versorgen und um weitere Komponenten flexibel zu erweitern. Zusätzlich wird ein Bedienkonzept für redundante Manipulatoren entwickelt, und die notwendigen Bedienelemente werden skizziert.

Die entwickelten Methoden und Algorithmen werden an verschiedenen Szenarien, die auch reale Roboter mit bis zu 10 Freiheitsgraden umfassen, erprobt.

In the future, there will be a big market potential for service applications, as for example in the support of elderly or disabled people, in the areas of cleaning, security, in space etc. In all these areas, robots which are flexible to use will be required, since in such tasks not everything can be planned, foreseen, or apriori simulated.

In such applications robots will be needed which are light but can exert forces, efficiently avoid collisions, and interact with humans while executing their tasks, e.g., support a load and react to direct touch. Kinematically redundant robots fit best to these kinds of requirements due to their additional degrees of freedom, allowing them to fulfill varying task requirements and environmental changes.

Various different methods, algorithms, and techniques have been developed in the handling of kinematically redundant robots. Analogous to earlier days, when interpolators, kinematics, inverse kinematics, and so on have been put into a framework of robot controllers, thus allowing the breakthrough for industrial robots. The aim of this thesis is to create a framework for redundant robots. There is a gap between current research in redundant robotics and a user friendly intuitive redundant robot controller, allowing a non-expert user to teach and handle the redundant degrees of freedom (DoF).

In this thesis, a concept for utilization and interactive handling of redundant robots is created. Due to the fact that the additional degrees of freedom can be used for different, possibly contradictory purposes, the choice of these purposes itself is highly task dependent.

This thesis consists of two main parts. In the first part redundancy resolution algorithms are reviewed, one of which is selected and investigated in detail for different purposes such as singularity handling, redundancy resolution, interactive behavior, and so on. In the second part a system architecture is outlined and a user interface concept defined, with which a non user will be able to use and interact with kinematically redundant robots.

A review of redundancy resolution algorithms from the literature shows that there does not exist a single "best" algorithm. Therefore an all service robot should embed different algorithms. Furthermore, with the choice of constraint optimization algorithms instead of the widely used Moore, limits of real systems such as actuator saturation can be easily enforced. An additional positive effect is that non constraints on joints can be easily embedded. There exist algorithms which reliably solve convex optimization problems in .

The handling of singularities exploits the features of constraint optimization by formulating a linear leastsquares problem with linear equality and inequality constraints. Singularity handling is studied for the case of nonindustry robots and extended to redundant mechanisms.

In the extension to redundancy resolution additional cost-functions are added to the optimization problem. Various different cost functions are discussed in detail within this thesis, e.g., joint limit avoidance, dexterity enhancement, collision avoidance, and interactive cost functions. The topic of point-to-point motion is covered, since the solution of iterative algorithms converge quickly only in a narrow space, which is useful while tracking a trajectory. For the example of catching a flying ball, these methods are discussed in detail.

An additonal topic is the concept of intuitive interactive self motion, which enables the user to teach a task to a redundant robot. In contrast to teaching non robots, where it is sufficient to move the end effector, the redundancy has to be considered while teaching. The interactive concept is then extended to execution, which is studied for the example of an inverse pendulum.

A concept for the system architecture is developed, which allows to embed multiple algorithms, to flexibly extend features and to provide the necessary data for the components.

Various different scenarios, including real systems with manipulators containing up to 10 DoF are investigated. Here, the constraint optimization is used for controlling a mobile manipulator with nonholonomic constraints in realtime.