Kollisionserkennung für echtzeitfähige Starrkörpersimulationen in der Industrie- und Servicerobotik

Abstract

Die mechanisch plausible Simulation von Robotern und deren Arbeitsumgebungen ist in der Industrie- und Service-Robotik ein zunehmend wichtiges Werkzeug bei der Entwicklung und Erprobung neuer Hardware und Algorithmen. Ebenso sind Simulationsanwendungen oftmals eine kostengünstige und vielseitig einsetzbare Alternative, sofern die Beschaffung echter Roboter unrentabel ist, oder Hardware und Arbeitsumgebung nur mit großer zeitlicher Verzögerung zur Verfügung stehen würden. Besonders wichtig sind Mechanik-Simulationen für Anwendungsfälle, in denen die direkte mechanische Interaktion von Objekten miteinander beziehungsweise der Arbeitsumgebung selbst im Vordergrund stehen, wie etwa in der Greifplanung oder der Ermittlung kollisionsfreier Bewegungsabläufe. Bei welcher Art von Szenarien der Einsatz von Mechanik-Simulationen sinnvoll ist und inwieweit die Möglichkeiten solcher Simulations-Werkzeuge ein geeigneter Ersatz für eine reale Arbeitsumgebung sein können, hängt sowohl von den technischen Besonderheiten dieser Werkzeuge, als auch von den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsgebiets ab. Die wichtigsten Kriterien sind dabei: Die zur Umsetzung der jeweiligen Aufgabe nötige oder gewünschte geometrische Präzision bei der Modellierung von Objekten in einer Simulation, ie bei der Simulation mechanischem Verhaltens berücksichtigten Eigenschaften und Phänomene (etwa durch die Berücksichtigung von Verformungsarbeit oder tribologischer Eigenschaften), und die Fähigkeit, eine Simulation in oder nahe Echtzeit betreiben zu können (d. h. innerhalb von Laufzeitgrenzen, wie sie auch durch die reale Entsprechung eines simulierten Systems gegeben sind). Die Fähigkeit zum Echtzeit-Betrieb steht dabei in Konflikt mit der geometrischen und mechanischen Präzision einer Simulation. Jedoch ist es gerade die Kombination aus diesen drei Kriterien, die für Szenarien mit einem hohen Anteil mechanischer Interaktion zwischen aktiv durch einen Benutzer gesteuerten Aktorik und einer simulierten Arbeitsumgebung besonders wichtig sind: Im Speziellen gilt das für Simulationssysteme, die zur Steuerung simulierter Roboter-Hardware dieselben Hardware- oder Software-Steuerungen verwenden, die auch für die realen Entsprechungen der betrachteten Systeme verwendet werden. Um einen Betrieb innerhalb sehr kurzer Iterationszeiten gewährleisten zu können, muss eine Mechanik-Simulation zwei Teilaufgaben effizient bewältigen können: Die Überprüfung auf Berührung und Überschneidung zwischen simulierten Objekten in der Kollisionserkennung in komplex strukturierten dreidimensionalen Szenen, und die Gewährleistung einer numerisch stabilen Lösung des zugrundeliegenden Gleichungssystems aus der klassischen Mechanik in der Kollisionsbehandlung. Die Kollisionserkennung erfordert dabei gegenüber der Kollisionsbehandlung ein Vielfaches an Laufzeit-Aufwand, und ist dementsprechend die Komponente einer jeden echtzeitfähigen Mechanik-Simulation mit dem größten Optimierungspotential und -bedarf: Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Kombination existierender Ansätze zur Kollisionserkennung unter weitgehender Vermeidung von deren Nachteilen. Dazu sollen ausgehend von Erfahrungen einer Projektstudie aus der Industrie-Robotik die speziellen Anforderungen an echtzeitfähige Mechanik-Simulationen beim Einsatz in dieser und verwandten Disziplinen hergeleitet und den Möglichkeiten und Einschränkungen existierender Simulations-Lösungen gegenüber gestellt werden. Basierend auf der Analyse existierender Kollisionserkennnungs-Verfahren soll im weiteren Verlauf der Arbeit eine alternative Möglichkeit zur Bewältigung dieser laufzeitaufwendigen Aufgabe auf Basis der Verwendung massiv paralleler Prozessor-Architekturen, wie sie in Form programmierbarer Grafik-Prozessoren (GPUs) kostengünstig zur Verfügung stehen, erarbeitet und umgesetzt werden.