Ein Beispiel zur Entwicklung kooperierender mobiler Roboter: Konstruktives Design und Steuerungsentwurf

In dieser Arbeit werden die wesentlichen Ergebnisse zur Konstruktion des RoboCup-Small-Size-Roboters LUKAS und des Aufbaus der koordinierenden Mastersoftware XBase vorgestellt. Der dreirädrige Roboter setzt ein hierarchisches Konstruktionskonzept um, welches hohe Zuverlässigkeit, Flexibilität und Robustheit durch technische Funktionsintegration einer minimalen Anzahl von Bauteilen realisiert. Spezielle Material- und Strukturlösungen finden sich im Polyamid-Chassis, im motorintegrierenden Dribbler und im energieeffizienten Schussmechanismus. Nach Analyse der kinematischen und dynamischen Zusammenhänge konnte für den Roboter eine Reglerarchitektur entwickelt werden, die unter Berücksichtigung von Radschlupf und Schwerpunktverlagerung die omnidirektionale Manövrierbarkeit und Bewegungspräzision gestattet. Die Mastersoftware XBase kann sowohl als Multi-Roboter-System unter der Kontrolle einer Verhaltenssteuerung, wie auch als verteiltes Multi-Agenten-System mit mehreren parallelen Verhaltenssystemen fungieren. Stabile Bildraten der Bildverarbeitung und geringer Berechnungsaufwand werden durch ressourcenschonende Operationen garantiert. Ein geeigneter Trainingseinstieg wurde mit Formationsvarianten zurDieser Publikation liegt die Arbeit mit dem Titel „Ein Beitrag zur Entwicklung kooperierender mobiler Roboter“ [urn:nbn:de:gbv:ilm1-2009000169] zu Grunde, die der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Ilmenau als Dissertation vorgelegen hat

Steuerung und Sensordatenintegration für flexible Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern

Veränderte Marktbedingungen zwingen bundesdeutsche Unternehmen zu einer zunehmenden Rationalisierung und Automatisierung der Fertigung, um im internationalen Wettbewerb trotz hoher Lohnkosten bestehen zu können. Neue organisatorische Strukturen und technische Innovationen sollen die rationelle Produktion kleiner Losgrößen mit hoher Variantenvielfalt und Qualität gewährleisten. Produktionsanlagen, die diesen Anforderungen genügen, zeichnen sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit der eingesetzten Fertigungsgeräte aus. Das Flexibilitäts- und Leistungspotential von Industrierobotern ermöglicht es, sich wechselnden Fertigungsbedingungen anzupassen und gleichzeitig die geforderten Qualitätsparameter einzuhalten. Trotz dieser Potentiale sind hierbei Defizite bei der Manipulation von biegeschlaffen Teilen, der Ausführung komplexer Fügeoperationen und der Einhaltung definierter Beziehungen Werkstück-Werkzeug zu verzeichnen. Der Einsatz von mehreren kooperierend Robotern erlaubt bei einer zunehmenden Prozeß- und Produktkomplexität die Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung und somit eine wesentliche Steigerung der Flexibilität der Fertigung. Neben den Leistungsmerkmalen der Industrieroboter bestimmen vor allem die eingesetzten Peripherieeinrichtungen, Handhabungskomponenten und Sensoren die Fähigkeiten der Fertigungs- und Montagesysteme. Deren Möglichkeiten der Programmierung und Integrationsfähigkeit in ein übergreifendes Steuerungssystem sind maßgebend für die Akzeptanz durch den Anwender. Eine durchgängige informationstechnische Verknüpfung aller Komponenten in einer flexiblen Fertigungszelle und eine damit verbundene Informationstransparenz sind die Voraussetzung für eine effiziente Steuerung des Fertigungsablaufes. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Realisierung eines Konzeptes zur Steuerung von Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern, basierend auf der Nutzung der Leistungspotentiale aller Komponenten der Zelle und der Integration von Sensorinformationen zur Steuerung der Fertigungsvorgänge. Der Entwurf neuer funktionaler Eigenschaften der Roboter und der Sensoren sowie deren steuerungstechnische Einbindung in ein homogenes System der Steuerung einer Fertigungszelle standen dabei im Vordergrund. Ausgangspunkt bildet die Analyse der Fähigkeiten, der Formen der Kooperation und der Struktur der Steuerung von mehreren zusammen agierenden Robotern. Darauf aufbauend, werden die Nutzenpotentiale des Einsatzes von kooperierenden Industrierobotern in der automatisierten Fertigung aufgezeigt. Besonders die Gesichtspunkte einer höheren Flexibilität, eines erweiterten Bewegungsvermögens und einer möglichen Kosteneinsparung werden dabei herausgestellt. Ausgehend von bestehenden Defiziten derzeitiger Steuerungssysteme von Industrierobotern wurden die Schwerpunkte der Entwicklung des Steuerungssystems für kooperierende Roboter und der Integration von Sensoren abgeleitet und umgesetzt. Vor dem Hintergrund des steigenden Softwareaufwandes für komplexe Steuerungssysteme wurde ein Zellensteuerungssystem unter Verwendung von Methoden des Software Engineering konzipiert. Speziell für die Belange der Steuerung von Zellen mit Industrierobotern wurde ein Funktionsumfang zur Programmierung und Ausführung des Fertigungsablaufes, der Bedienung und Steuerung der Komponenten und der Erfassung von Maschinen- und Betriebsdaten realisiert. Eine anwendungsnahe Spezifikation der zur Ausführung eines Auftrages notwendigen Abläufe wird durch eine grafisch interaktive Programmierung und dessen Realisierung auf einem Zellenrechner ermöglicht. Die Überlegungen zum Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten münden in ein Konzept zur kooperierenden Bewegungsführung von Robotern. Ausgehend von grundlegenden Bewegungsformen wurde die hierauf beruhenden Bahnplanungsmethoden zur Erzeugung unabhängiger und kooperierender Bahnen entwickelt. Das Verfahren eines virtuellen Masters erlaubt hierbei die Beschreibung von komplexen räumlichen Bewegungsbahnen. In diesem Zusammenhang galt es, die Frage nach der Erkennung und Abwendung möglicher Kollisionen in komplexen Anordnungen mehrerer Roboter zu analysieren. Durch den Einsatz einer vereinfachten Geometriemodellierung konnte eine Lösung zur On-line-Kollisionserkennung für zwei Industrieroboter aufgezeigt werden. Die entworfenen Verfahren zur Bewegungsplanung bedürfen erweiterter Fähigkeiten der eingesetzten Robotersteuerungen. Auf der Basis eines hybriden und modularen Rechnersystems wurde ein Steuerungskonzept entwickelt, welches den Funktionsumfang der Bewegungsvorbereitung, der koordinierten Bahninterpolation und der Überwachung der Bewegung realisiert. Im Hinblick auf den Einsatz von kooperierenden Robotern wurden auf der Grundlage normierter Programmiertechniken für Industrieroboter geeignete Sprachelemente und Funktionalitäten für die Programmerstellung entworfen. Die Möglichkeiten einer Flexibilisierung und Leistungssteigerung von Fertigungssystemen mit Industrierobotern durch den Einsatz von Sensoren wurden an Hand sensorgeregelter Bewegungen transparent gemacht. Betrachtungen zum Nutzenpotential und den noch bestehenden Defiziten einer Sensorintegration sind vorangestellt worden. Aus den Untersuchungen zu verschiedenen Regelungsstrategien hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens konnten die hieraus resultierenden Eigenschaften für den Einsatz im Prozeß abgeleitet werden. Um die Rückführung der Sensorinformationen in den Bewegungsablauf zu gewährleisten, erfolgte die Entwicklung eines Konzeptes zur Sensor- und Positionsführung. Durch die Anordnung von mehreren Basissensoren und der Nutzung intelligenter und konfigurierbarer Auswertesysteme konnten Profilsensoren für den Einsatz während der Bearbeitung und Montage entwickelt werden. Für die Erfassung der Lage und Anwesenheit von Werkstücken in einer Fertigungszelle wurde ein flexibler Lasersensor entworfen und realisiert, der die Steuerung des Zellenablaufes und die Einhaltung von Qualitätsparametern ermöglicht. Die markanten Flexibilitätsdefizite von Greifern gegenüber Industrierobotern wurden durch den Aufbau eines flexiblen Mehrfingergreifers überwunden. Durch eine objektbezogene Beschreibung der auszuführenden Greifoperationen wird eine Steuerung des Greifers unter gleichzeitiger Integration einer Kraftsensorik erreicht. Mit den dargestellten Arbeiten konnte ein Beitrag zu dem Gesamtanspruch der Steigerung der Flexibilität der Fertigung und der Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung von Werkstücken durch den Einsatz von kooperierenden Robotern und der Integration von Sensoren geleistet werden. Es wurde der Nachweis erbracht, daß auch unter den Bedingungen der automatisierten Fertigung der Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten möglich ist.Changed market conditions are forcing German companies to increasingly rationalize and automate manufacturing in order to survive in international competition despite high labor costs. New organizational structures and technical innovations are intended to ensure the rational production of small lot sizes with a wide variety and quality. Production systems that meet these requirements are characterized by the high performance of the manufacturing equipment used. The flexibility and performance potential of industrial robots makes it possible to adapt to changing production conditions and at the same time to adhere to the required quality parameters. Despite these potentials, there are deficits in the manipulation of limp parts, the execution of complex joining operations and compliance with defined workpiece-tool relationships. The use of several cooperating robots, with increasing process and product complexity, allows the design of new forms of manipulation and processing and thus a significant increase in the flexibility of production. In addition to the performance features of the industrial robots, the peripheral devices, handling components and sensors used determine the capabilities of the manufacturing and assembly systems. Their programming options and ability to integrate into a comprehensive control system are decisive for user acceptance. A consistent information technology connection of all components in a flexible production cell and the associated information transparency are the prerequisites for an efficient control of the production process. The aim of the present work was the development and implementation of a concept for the control of manufacturing cells with cooperating robots, based on the use of the performance potential of all components of the cell and the integration of sensor information to control the manufacturing processes. The focus was on the design of new functional properties of the robots and sensors as well as their control integration in a homogeneous system for controlling a production cell. The starting point is the analysis of the skills, the forms of cooperation and the structure of the control of several robots working together. Building on this, the potential benefits of using cooperating industrial robots in automated production are shown. In particular, the aspects of greater flexibility, expanded mobility and possible cost savings are emphasized. Based on existing deficits in current control systems for industrial robots, the focus of the development of the control system for cooperating robots and the integration of sensors was derived and implemented. Against the background of the increasing software expenditure for complex control systems, a cell control system was designed using software engineering methods. A range of functions for programming and executing the production process, operating and controlling the components and recording machine and operating data has been implemented specifically for the control of cells with industrial robots. An application-specific specification of the processes required to execute an order is made possible by graphically interactive programming and its implementation on a cell computer. The considerations for the use of several flexible handling devices result in a concept for the cooperative motion control of robots. Based on basic forms of movement, the path planning methods based on this were developed to create independent and cooperating paths. The process of a virtual master allows the description of complex spatial trajectories. In this context, it was necessary to analyze the question of the detection and prevention of possible collisions in complex arrangements of several robots. Through the use of simplified geometry modeling, a solution for online collision detection for two industrial robots was shown. The designed motion planning processes require expanded capabilities of the robot controls used. On the basis of a hybrid and modular computer system, a control concept was developed which realizes the functional scope of the motion preparation, the coordinated path interpolation and the monitoring of the motion. With regard to the use of cooperating robots, suitable language elements and functionalities for program creation were designed on the basis of standardized programming techniques for industrial robots. The possibilities of making production systems with industrial robots more flexible and increasing their performance through the use of sensors were made transparent using sensor-controlled movements. Considerations of the potential benefits and the remaining deficits of sensor integration have been given in advance. The resulting properties for use in the process could be derived from the studies of various control strategies with regard to their dynamic behavior. In order to ensure that the sensor information is fed back into the motion sequence, a concept for sensor and position control was developed. By arranging several basic sensors and using intelligent and configurable evaluation systems, profile sensors could be developed for use during machining and assembly. For the detection of the position and presence of workpieces in a production cell, a flexible laser sensor was designed and implemented, which enables control of the cell sequence and compliance with quality parameters. The striking flexibility deficits of grippers compared to industrial robots were overcome by building a flexible multi-finger gripper. A control of the gripper with simultaneous integration of a force sensor system is achieved by an object-related description of the gripping operations to be carried out. With the works shown, a contribution could be made to the overall claim of increasing the flexibility of production and the design of new forms of manipulation and processing of workpieces through the use of cooperating robots and the integration of sensors. Proof has been furnished that it is possible to use several flexible handling devices even under the conditions of automated production

Ein Beitrag zur Entwicklung kooperierender mobiler Roboter

This work presents the main outcomes of the design of LUKAS, a robot in the RoboCup Small Size League, and of the development of a structure for the coordinating software, XBase. The fact that both compactness and the necessary mass-power ratio of the robot were achieved is mainly due to the configuration: three wheels and an orthogonal axle. The polyamide chassis, the backspin engine integrated into the dribbler, and the energy-efficient goal shooting mechanism, all make use of special ideas for material and structure. It has omni-directional Stanford wheels which guarantee smooth running, traction and stability on a steady basis. The design is basically sandwich construction. This is a means of using the integration of technical functions and a minimal number of components to ensure high reliability, flexibility and robustness. It was possible to develop control architecture for the robot on the basis of kinematic and dynamic mathematical analysis so that omni-directional manoeuvring and precise positioning are permitted because wheel slippage and changes in the centre of gravity are registered. The master software, XBase, has been developed to combine a user-friendly man-machine interface with a toolbox, to enable all the robots’ systems to be coordinated and moving objects in the field to be detected by customised image processing. A look-up table with maximum-likelihood colour classification is one of the means by which stable picture rates and economical computation are achieved. Others are picture segmentation with line coincidence procedure and resource-protective operations. For a group of robots, suitable training exercises have been devised using different formations so that they can be controlled in a coordinated way. This model for the formation permits transition, by individual release of parameters, from a rigid to a flexible network. The flexibility and adaptability of the robot group is demonstrated using three types of formation, bloc, line and rout. The XBase system devised will run either as a multi-robot system managed by a single behaviour control system, or as a multi-agent combination managed by several parallel behaviour controls.In dieser Arbeit werden die wesentlichen Ergebnisse zur Konstruktion des RoboCup-Small-Size-Roboters LUKAS und des Aufbaus der koordinierenden Mastersoftware XBase vorgestellt. Die erreichte Kompaktheit und das notwendige Masse-Leistungs-Verhältnis des Roboters beruhen im Wesentlichen auf der orthogonalen Achskonfiguration. Spezielle Material- und Strukturlösungen für Leichtbau und Bauraumnutzung finden sich im Polyamid-Chassis, im motorintegrierenden Dribbler und im energieeffizienten Schussmechanismus. Im Einsatz sind omnidirektionale Räder mit solider Rundlauf-, Traktions- und Stabilitätseigenschaft. Der dreirädrige Roboter setzt ein hierarchisches Konstruktionskonzept um, welches hohe Zuverlässigkeit, Flexibilität und Robustheit in verstärktem Maße durch technische Funktionsintegration einer minimalen Anzahl von Bauteilen realisiert. Nach Analyse der kinematischen und dynamischen Zusammenhänge konnte für den Roboter eine Reglerarchitektur entwickelt werden, die unter Berücksichtigung von Radschlupf und Schwerpunktverlagerung die omnidirektionale Manövrierbarkeit und Bewegungspräzision gestattet. Die weiterentwickelte Mastersoftware XBase verbindet eine modifizierten Bildverarbeitung zur Detektierung der Roboter und eine anwenderfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle mit dem Instrument zur Roboterkoordinierung. Stabile Bildraten und geringer Berechnungsaufwand werden durch die Verwendung einer Look-Up-Tabelle zur Maximum-Likelihood-Farbklassifizierung, Bildsegmentierung mit Zeilenkoinzidenzverfahren und ressourcenschonende Operationen garantiert. Ein geeigneter Trainingseinstieg wurde mit verschiedenen Formationsvarianten zur koordinierten Kontrolle einer Robotergruppe gefunden. Das Modell gestattet durch individuelle Freigabe von Freiheitsgraden einen Übergang vom starren zum flexiblen Verband. Anhand der Beispielformationen Block, Reihe und Rotte ist die Flexibilität und Wandlungsfähigkeit dargestellt. Das System XBase kann sowohl als Multi-Roboter-System unter der Kontrolle einer Verhaltenssteuerung, wie auch als verteiltes Multi-Agenten-System mit mehreren parallelen Verhaltenssystemen fungieren

Motion Designer : ein interaktives Tool zum Entwerfen von Bewegungen

Roboter werden zunehmend außerhalb abgetrennter und vollständig kontrollierter Umgebungen eingesetzt. Meist bedeutet dies, dass sie in der unmittelbaren Nähe von Menschen agieren. Dementsprechend muss bei der Entwicklung solcher Roboter dafür Sorge getragen werden, dass sie auf sich verändernde Situationen reagieren können, um mit Menschen zusammenzuarbeiten und diese nicht zu gefährden. Neben einer ausgereiften Sensorik zur Erkennung und Beobachtung der Umgebung ist dafür insbesondere wichtig, eine Bewegung so auszuführen, dass das gewünschte Ziel erreicht und gleichzeitig allen etwaigen Hindernissen ausgewichen wird. Dafür muss die Bewegung in einer Form beschrieben werden, die dem Roboter erlaubt, sie der aktuellen Situation anzupassen. Um zum Beispiel Kollisionen mit Personen zu vermeiden, muss eine geeignete Bewegung des Weiteren schnell genug gefunden werden. Diese Problematik wird oft als Motion Generation beschrieben. Um die Forschung in diesem Bereich zu unterstützen, sind Simulationen eines Szenarios ein wichtiges Kontrollmedium. Zusammen mit einer einfach zu bedienenden Oberfläche zum Erstellen einer Beschreibung können sie dabei helfen, gute Lösungen für ein Problem zu finden

Entwurf und Realisierung eines mobilen autonomen Systems variabler Intelligenz (MauSI)

Abstract Mobile autonomous robot systems are frequently subject of scientific investigations. Depending on the problem's aim the examined robots are made purely commercially, i.e. Khepera-Robot, or they are designed especially for the planned experiments. Resulting disadvantages are often either a bad adaption of commercial systems to the necessary experiment or the high costs of an own development. Especially the modification of customary systems causes big problems because of unknown hard- or software interfaces. The robot system "MauSI" has been designed to solve this dilemma. As an as cheap as possible experimental platform this system unites an open software architecture with a broad range of sensors and communication interfaces, like i.e. accelaration or picture sensor and wireless radio communication. On this basis formations of these robots can be controlled by a central steering (global intelligence). The robots' equipment with a powerful CPU allows among the necessary steering or control algorithms for sensors and actors the implementation of a local intelligence in the robot itself. This intelligence makes the robot system act partly autonomously, that means limited in time and/or way in a model environment that is as close to reality as possible. The degree of partly autonomy depends on the concrete environmental conditions. Next to the usage of simple infrared-based distance sensors the use of picture sensors (CMOS-camera) allows an increasing of the partly autonomy. Picture processing enables the robot to detect simple geometrical bodies and to pursue an aim in formation drive. The strategies of local partly autonomy are completed by coupling the local intelligencewith the global one depending on requirements. Unexpected deciding problems lead to a mission stop (giving up the local autonomy) and a new valuation of the situation by global intelligence.Mobile autonome Robotersysteme sind vielfach Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen. Je nach dem Ziel der Aufgabenstellung stammen die untersuchten Roboter aus kommerzieller Fertigung, z.B. Khepera-Roboter, oder sind speziell für die geplanten Experimente konzipiert. Damit einhergehende Nachteile sind oft entweder eine schlechte Adaption kommerzieller Systeme an die notwendigen Experimente, bzw. die hohen Kosten einer Eigenentwicklung. Insbesondere die Modifikation handelsüblicher Systeme stößt wegen unbekannter Hard- oder Softwareschnittstellen auf große Probleme. Zur Lösung dieses Dilemmas wird das Robotersystem "MauSI" konzipiert. Als möglichst preiswerte Experimentalplattform vereint dieses System eine offene Software-Architektur mit einer breiten Auswahl von Sensoren und Kommunikationsschnittstellen, wie z.B. Beschleunigungs- bzw. Bildsensor und drahtlose Funkkommunikation. Auf dieser Basis können Formationen dieser Roboter von einer zentralen Steuerung (Globale Intelligenz) kontrolliert werden. Die Ausstattung der Roboter mit einer leistungsfähigen CPU gestattet neben den notwendigen Steuer- bzw. Regelalgorithmen für Sensoren und Aktoren, die Implementierung einer Lokalen Intelligenz im Roboter. Diese Intelligenz befähigt das Robotersystem teilautonom, d.h. zeit- und/oder wegbegrenzt in möglichst realitätsnahen Modellumgebungen, zu agieren. Das Maß der Teilautonomie hängt von den konkreten Umgebungsbedingungen ab. Neben der Nutzung einfacher infrarot-basierter Distanzsensoren, ermöglicht der Einsatz von Bildsensoren (CMOS-Kamera) eine Steigerung der Teilautonomie. Einfache Bildverarbeitung befähigt die Roboter zur Objektdetektion simpler geometrischer Körper und Zielverfolgung in Formationsfahrt. Die Strategien zur lokalen Teilautonomie werden ergänzt durch eine bedarfsabhängige Kopplung der Lokalen mit der Globalen Intelligenz, unerwartete Entscheidungsprobleme führen zum Missionsabbruch (Aufgabe der Teilautonomie) und neuen Situationsbewertung durch die Globale Intelligenz

Stereobildbasierte Kollisionsvermeidung für einen unbemannten Kleinhubschrauber

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Strategie zur Kollisionsvermeidung unter Verwendung einer Stereokamera. Sie ermöglicht die dreidimensionale Rekonstruktion der Umgebung, damit die Messung von Entfernungen und letztendlich die Erkennung von Hindernissen und hindernisfreien Bereichen. Das implementierte Verfahren wird in einer Simulationsumgebung getestet, die die originale Hardware des Hubschraubers verwendet und dessen Flugeigenschaften nachbildet. So kann für einen realen Flug abgeschätzt werden, wie sich der Helikopter bei Hindernissen verhält und inwieweit Kollisionen vermieden werden können

Neues Konzept zur Planung, Ausführung und Überwachung von Roboteraufgaben mit hierarchischen Petri-Netzen

Es wird gezeigt, wie die aufgabenausführungsrelevanten Komponenten einer hybriden Steuerungsarchitektur mit Hilfe von hierarchischen Petri-Netzen umgesetzt, integriert und mit Überwachungsmodulen verknüpft werden können. Hierzu wird zunächst ein Konzept zur Generierung von Aufgabenwissen vorgeschlagen, das es erlaubt Bausteine komplexer Handlungen systematisiert zu entwerfen. Im Anschluss wird ein neues Konzept zur online Überwachung von Bewegungsvorgängen bei humanoiden Robotern vorgestellt

Modulare, verteilte Hardware-Software-Architektur für humanoide Roboter

Humanoide Roboter sind hochkomplexe Systeme. Sie zeichnen sich durch ein sehr heterogenes Sensor- und Aktorsystem aus, welches wiederum sehr hohe und breit gefächerte Anforderungen an die verwendete Architektur stellt. Es wird sowohl der Entwurf einer funktionalen Steuerungsarchitektur, das verwendete Softwarerahmenwerk als auch die Abbildung auf eine dezidierte Hardwarearchitektur beschrieben