Adaptive Regelung von Robotersystemen in Kontaktaufgaben

Abstract

Robotersysteme finden immer häufiger Einsatz in der Automatisierung von Kontaktaufgaben. Diese fordern von den Robotersystemen einen mechanischen Kontakt mit der Umgebung und Gewährleistung einer gewünschten mechanischen Interaktion. Typische Beispiele bilden industrielle Manipulationsroboter in Aufgaben der mechanischen Montage / Verformung / Oberflächenbearbeitung sowie mobile Schreitroboter in der Interaktion mit dem Untergrund während der Lokomotion. Ein Robotersystem unterliegt im Kontakt den zusätzlichen Bindungen, welche die Einschränkungen auf der Roboterbewegung erzeugen. Der mechanische Energieaustausch zwischen dem Robotersystem und der Umgebung kann im Kontakt erheblich variieren und das Verhalten des Robotersystems enorm beeinflussen. Die Kontaktkraft gilt als Kennwert dieses Energieaustausches und soll für eine erfolgreiche Durchführung der Kontaktaufgaben gemessen und in den Steuerungs- und Regelungsalgorithmen berücksichtigt werden. Die vorliegende Dissertation widmet sich dem Entwurf von Methoden zur Steuerung und Regelung der Roboterbewegungen in Kontaktaufgaben und zur Optimierung des Verhaltens des Robotersystems beim mechanischen Kontakt mit der Umgebung. Für die Untersuchungszwecke sind folgende charakteristische Robotersysteme ausgewählt bzw. entwickelt: ein stationärer industrieller Manipulationsroboter „Mitsubishi RV-E3J“ sowie zwei mobile sechsbeinige Schreitroboter „Slair2“ und „Katharina“. Ein hochdynamischer industrieller Manipulationsroboter wird im Regelfall fest in der Umgebung eingesetzt und bildet im Kontakt mit der Umgebung eine geschlossene kinematische Kette. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht hierbei die Regelung der Kontaktkräfte bzw. der mechanischen Roboternachgiebigkeit. Ein mobiler Schreitroboter kombiniert dank seiner Konstruktion die Eigenschaften einer hoch beweglichen Schreitplattform mit den Eigenschaften eines Mehrzweckmanipulators mit paralleler Kinematik. In erstem Fall agiert ein mobiler Schreitroboter frei und bildet im Kontakt mit der Umgebung eine offene kinematische Kette. Hierbei wird die koordinierte Nachgiebigkeitsregelung von Roboterbeinen abhängig von den mechanischen Untergrundeigenschaften sowie die Organisation und Steuerung der Roboterlokomotion über ein komplexes Gelände anhand der Information über die Auflagereaktionen untersucht. In zweitem Fall wird ein Schreitroboter als ein stationärer Manipulationsroboter betrachtet, solange die Roboterfüße sich in den Reibungskegeln befinden. Hierbei werden die Serviceoperationen sowie die Regelung der mechanischen Nachgiebigkeit des Roboterkörpers und der Kontaktkräfte im Endeffektor untersucht. Zur Eliminierung der Einflüsse von Nichtlinearitäten im Robotersystem und in der Umgebung sind die Regelungsalgorithmen anpassungsfähig ausgelegt.

Robotic systems are being applied with increasing frequency to automate contact tasks. These require the robotic systems to have mechanical contact with the environment and guarantee the desired mechanical interaction. Typical examples are industrial manipulators that perform mechanical assembly/deformation/surface finishing and legged mobile robots that interact with the ground during locomotion. This contact subjects a robotic system to additional relationships, which generate constraints on its movement. The exchange of mechanical energy between a robotic system and its environment can vary considerably in the contact and affect the robotic system’s performance tremendously. The contact force is regarded as a characteristic value of this energy exchange and ought to be measured and incorporated in the control algorithms if contact tasks are to be executed successfully. This dissertation deals with the development of methods to control robot motion in contact tasks and to optimize the performance of robotic systems when in mechanical contact with their environment. Characteristic robotic systems, i.e. a stationary industrial manipulation robot “Mitsubishi RV-E3J” and two six-legged mobile robots “Slair2” and “Katharina”, were selected or developed for testing purposes. As a rule, a highly dynamic industrial manipulation robot is fixed in an environment and forms a closed kinematic chain during contact. Research concentrates on the control of the contact forces and the robot’s mechanical compliance. Its design gives a legged mobile robot the characteristics of a highly maneuverable legged platform with the characteristics of a multipurpose manipulator with parallel kinematics. In the former, a mobile legged robot operates freely and its contact with the ground forms an open kinematic chain. The coordinated control of robot leg compliance as a function of the mechanical properties of the ground as well as the organization and control of robot locomotion across complex terrain is examined on the basis of information on the reaction forces. In the latter, a legged robot is treated as a stationary manipulator as long as the robot’s feet are located in the friction cones. The service operations and the control of the robot body’s mechanical compliance and the contact forces in the end effector are investigated. Adaptive control algorithms have been formulated to eliminate the influences of nonlinearities in the robotic system and the environment.