Steuerung für redundante Robotersysteme: Benutzer- und aufgabenorientierte Verwendung der Redundanz (2004)

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.