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Open Access
Cloud-based cooperative long-term SLAM for mobile robots in industrial applications
(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Dörr, Stefan; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
Mobile Roboter wie fahrerlose Transportsysteme (FTS) erfahren seit Jahrzehnten zunehmend Anwendung für intralogistische Aufgaben im Bereich der industriellen Produktion und Logistik. Um die benötigten Verfügbarkeiten dieser industriellen Anforderungen zu erreichen, benötigen derzeitig kommerziell verfügbare Navigationslösungen zumeist zusätzliche in die Umgebung eingebrachte Infrastruktur, wie magnetische Leitlinien oder retro-reflektive Marker, oder sind begrenzt auf Anwendungsgebiete mit stark strukturierten, unveränderlichen Umgebungen. Die derzeit steigende Nachfrage nach hochflexiblen FTS, welche auch im dynamischen Umfeld und in nicht-abgetrennten Arbeitsbereichen mit Menschen und anderen Fahrzeugen effizient navigieren, kann mit diesen Lösungen nur unzureichend befriedigt werden. Navigationslösungen, die diesen hohen Anforderungen gerecht werden, müssen vielmehr über einen gesteigerten Autonomiegrad verfügen und gleichzeitig bestehende Anforderungen hinsichtlich Verfügbarkeit und Präzision aufrechterhalten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung entsprechender Navigationsverfahren unter Ausnutzung aktueller Entwicklungen im Bereich der Industrie 4.0 und Cloud-Robotik. Konkret wird ein cloud-basiertes, kooperatives Navigationsverfahren vorgestellt, welches die Vernetzung der Roboter untereinander sowie die Ausnutzung externer Rechenressourcen auf Cloud-Servern integriert. Um derzeitige Beschränkungen im Bereich der drahtlosen Datenübertragung zu berücksichtigen, verbleiben dabei Basis-Navigationsfähigkeiten auf den mobilen Robotern, wodurch deren Navigationsfähigkeit auch bei Netzwerkverbindungsabbrüchen aufrecht erhalten wird. Auf Cloud-Servern ausgelagerte, kooperative Navigationsverfahren sorgen hingegen für die notwendige Langzeitstabilität der Navigation, auch in herausfordernden Umgebungen. Eine Schlüsselfähigkeit des kooperativen Navigationssystems ist das Generieren von stets aktuellen Umgebungskarten für Lokalisierung und Pfadplanung basierend auf den Sensorbeobachtungen der gesamten Roboterflotte. Hierfür wird ein kooperativer Long-Term Simultaneous Localization and Mapping (LT-SLAM)-Ansatz präsentiert, bei welchem jeder Roboter detektierte Kartenänderungen an den cloud-basierten LT-SLAM-Server überträgt. Dieser fusioniert die eingehenden Karteninformationen in eine konsistente, globale Karte und stellt diese den einzelnen Robotern in Form von Karten-Updates zur Verfügung. Zusätzlich wird ein Verfahren zur gegenseitigen Detektion der Roboter und zum Austausch von Lokalisierungsinformationen integriert. Ein weiterer Fokus der Arbeit liegt auf der EntwickSummary lung einer Kartenrepräsentation, welche die vielfältigen und teils konträren Anforderungen dieser Applikationen erfüllt. Sowohl Wirksamkeit als auch praktische Anwendbarkeit werden anschließend in verschiedenen Simulations- und Echtwelt-Experimenten nachgewiesen. Dabei überzeugt der vorgestellte Ansatz insbesondere in erhöhter Lokalisierungspräzision und -robustheit, kürzeren Navigationswegen gegenüber unvernetzten Ansätzen sowie moderaten Netzwerkauslastungen.
Open Access
Reglersynthese für aufgabenraumgesteuerte Industrieroboter
(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Halt, Lorenz; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)
Die Motivation der vorliegenden Dissertation ist es, ein performantes sowie roboter- und kinematikneutrales Steuerungsrahmenwerk für roboterbasierte Montage zu schaffen. Dieses Rahmenwerk soll einfach zu programmieren sein und die Möglichkeit aufweisen, Programme zwischen Robotern zu übertragen. Hierfür wurde eine skillbasierte Programmierung mit dem iTaSC Formalismus kombiniert. Darauf aufbauend wurden als Hauptteil dieser Arbeit Reglerstrukturen entwickelt, die sich ohne Zutun des Programmierers eigenständig parametrisieren und sich somit automatisch an den eingesetzten Roboteraufbau anpassen. Für kontaktfreie Bewegungen des Roboters wurde ein modellbasierter Regelungsansatz ausgewählt. Zunächst wird ein lineares Modell angenähert und zur automatischen Synthese einer dynamischen Ausgangsrückführung eingesetzt. Das Verfahren ermöglicht nahezu zeitoptimales Verhalten unter Berücksichtigung von Stellgrößenbegrenzungen. Für die Kontakt- und Kraftregelung wurde ein modellfreier Ansatz verfolgt. Hierbei wird die Reglerverstärkung basierend auf den aktuellen Regelungsfehler so adaptiert, dass sich ein Regelfehlerverlauf innerhalb vorgegebener Performanzgrenzen ergibt. Die Regelungsansätze wurden einzeln in Simulationen verifiziert, in das iTaSC basierte Rahmenwerk eingefügt und jeweils mit verschiedenen Szenarien und Robotern experimentell erprobt. Es ergeben sich sowohl neue Einblicke in die Verhalten der einzelnen Technologien, als auch in das Zusammenspiel der Komponenten des dargestellten Steuerungsrahmenwerks. Beide Regelungsansätze ermöglichen hohe Regelgüte und große Übertragbarkeit für komplexe Roboterbewegungen bei Montageaufgaben. Die Ansätze benötigen keine manuellen Anpassungen und ermöglichen so die Programmierung durch Prozessexperten ohne tiefere Kenntnisse der Regelungstechnik.