Design and Analysis of Novel Actuation Mechanism with Controllable Stiffness

Actuators intended for human–machine interaction systems are usually designed to be mechanically compliant. Conventional actuators are not suitable for this purpose due to typically high stiffness. Advanced powered prosthetic and orthotic devices can vary their stiffness during a motion cycle and are power-efficient. This paper proposes a novel actuator design that modulates stiffness by means of a flexible beam. A motorized drive system varies the active length of the cantilever beam, thus achieving stiffness modulation. New large deflection formulation for cantilever beams with rolling contact constraints is used to determine the moment produced by the actuator. To validate the proposed solution method, an experiment was performed to measure large static deformations of a cantilever beam with the same boundary conditions as in the actuator design. The experiments indicate excellent agreement between measured and calculated contact forces between beam and roller, from which the actuator moment is determined

Cooperative bin-picking with Time-of-Flight camera and impedance controlled DLR lightweight robot III

Abstract — Because bin-picking effectively mirrors great chal-lenges in robotics, it has been a relevant robotic showpiece application for several decades. This paper approaches the bin-picking issue by applying the latest state-of-the-art hardware components, namely an impedance controlled light-weight robot and a Time-of-Flight camera. Lightweight robots have gained new capabilities in both sensing and actuation without suffering a decrease in speed and payload. Time-of-Flight cameras are superior to common proximity sensors by providing depth and intensity images in video frame rate independent of textures. Furthermore, the bin-picking process presented here incorporates an environment model and allows for physical human-robot interaction. The existing imprecision in Time-of-Flight camera measurements is compensated by the compliant behavior of the robot. A generic state machine monitors the entire bin-picking process. This paper describes the computer vision algorithms in combination with the sophisticated control schemes of the robot and demonstrates a reliable and robust solution to the chosen problem. I

Integration von 3D-"Time of Flight"-Kameras in Applikationen zur sicheren Steuerung autonomer Roboter

Optische Sensoren sind heutzutage aus den Bereichen mobile Robotik und Industrierobotik nicht mehr wegzudenken. Laserscanner und Stereovisionsysteme dienen hauptsächlich zur Erfassung des Roboterumfelds. Hierbei werden diese Sensoren größtenteils in Kombination verwendet, um die Schwächen der einzelnen Systeme zu kompensieren. Dies hat einen nicht unerheblichen Aufwand zur Sensorfusion und zur Integration in die Robotersysteme zur Folge. Die PMD-Technik, welche in den letzten Jahren eine enorme Entwicklung bezüglich der erreichbaren Messgenauigkeit vollzogen hat, verspricht in diesem Umfeld eine hervorragende, kostengünstige und leicht zu integrierende Alternative zu sein. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Leistungsfähigkeit der PMD-Kameratechnik in dem Gebiet der Kollisionsvermeidung durch Überwachung des Roboterumfeldes bei Handhabungsrobotern und für mobile Robotersysteme. Diese wird anhand von zwei verschiedenen Beispielapplikationen untersucht. Im Bereich der mobilen Robotik wird ein fahrerloses Transportsystem aufgebaut, welches allein auf Grundlage der 3D PMD-Bilder die autonome Navigation in einer nur teilweise bekannten Umgebung beherrscht. Hierzu wurden PMD basierte Algorithmen zur Selbstlokalisierung, Hinderniserkennung sowie reaktiven Bahnplanung entworfen. Die zweite Applikation befasst sich mit der Überwachung von Roboterarbeitsräumen im Gebiet der Handhabungsrobotik. Spezielle auf die PMD-Kamera angepasste Algorithmen gewährleisten das Erkennen von Fremdobjekten und Personen in der Roboterzelle. Dies ermöglicht dem Roboter entsprechend zu reagieren und alternative kollisionsfreie Trajektorien zu finden. Auf die Installation von Sicherheitszäunen, die heutzutage im industriellen Umfeld noch Standard sind, kann aufgrund dessen verzichtet werden, so dass zum Beispiel die Option zu einer Mensch-Roboter-Kooperation geschaffen wird. Zudem bietet die PMD basierte Bahnplanung von Robotertrajektorien den Vorteil, dass zeitintensive Teach-In-Prozesse zum Einlernen von Trajektorien entfallen und Roboterzellen schneller in Betrieb genommen werden können

生産機械における運動生成と制御の高機能化に関する研究

13301乙第2078号博士（工学）金沢大学博士論文本文Ful