Hardware- und Regelungskonzepte für eine sichere Mensch-Roboter-Interaktion Stand und Entwicklungstendenzen

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Nicole Albert
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1 Hardware- und Regelungskonzepte für eine sichere Mensch-Roboter-Interaktion Stand und Entwicklungstendenzen Alin Albu-Schäffer S. Haddadin, Th. Wimböck, Ch. Ott, A. Stemmer, F. Schmidt, A. de Santis, Ch. Borst DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Robotik und Mechatronik 42. Sitzung des VDI/VDE FA 4.13»Steuerung und Regelung von Robotern

2 Einführung Science-Fiction Literatur hat schon lange die Koexistenz von Mensch und Roboter behandelt. Bis vor kurzem, sah die Wirklichkeit noch ganz anders aus. Isaac Asimov - The Caves Of Steel, p ,

Bis vor kurzem, sah die Wirklichkeit noch ganz anders

3 Heutige Industrieautomation Absolute Trennung der Arbeitsräume von Roboter und Mensch Strukturierte Umgebung Begrenzte Sensorrückkopplung und Flexibilität Der Löwenkäfig 3

4 Mensch-Roboterinteraktion Die Situation fängt an, sich radikal zu ändern. Derzeit entsteht eine neue Generation von Robotern, die mit dem Menschen direkt interagieren. Applikationen mit direkter Mensch-Roboterinteraktion: Industrielle Produktionsassistenz Chirurgierobotik Rehabilitation Unterstützung für Kranke und Behinderte in der alternden Gesellschaft Automatisierung täglicher Aufgaben Unterhaltung Rüstungsbereich 4

Applikationen mit direkter Mensch-Roboterinteraktion: Industrielle Produktionsassistenz Chirurgierobotik

5 Produktionsassistenz 5

6 Produktionsassistenz 6

7 7

8 Das MIROSURGE System 8

9 Servicerobotik Ein Milliardenmarkt für Service-Roboter? TOYOTA Soll ich den Tisch aufräumen? Twendy-One (Sugano Lab) TU Karlsruhe 9

10 Servicerobotik 10

11 Mensch-Roboterinteraktion (M-RI) M-RI kognitive Mensch-Roboterinteraktion km-ri physische Mensch-Roboterinteraktion pm-ri 11

12 Kognitive Mensch-Roboterinteraktion (km-ri) Kommunikation zwischen Mensch und Roboter durch eine Vielzahl von Modalitäten (Video, Ton, Sprache, Bewegungsbeobachtung, Blickrichtung, Gesichtsausdruck, ) Kontinuierliches autonomes Lernen von menschlichen Skills Entwicklung eines Verständnisses der menschlichen Umgebung und der zu bewältigenden Aufgaben [EU-Projekt: IP FP6] COGNIRON The COGNItive RObot CompanioN Deutsche Projekte (Exzellenzkluster) Kognition für technische Systeme 12

Lernen von menschlichen Skills Entwicklung eines Verständnisses der menschlichen Umgebung und der zu bewältigenden

13 Physische Mensch-Roboterinteraktion (pm-ri) Roboter unterscheiden sich von Computern durch die direkte physische Interaktion mit der Umwelt. Somit wird die physische Mensch-Roboterinteraktion (pm-ri) eine der größten Herausforderungen und Innovationen dieser neuen Robotergeneration. 13

Somit wird die physische Mensch-Roboterinteraktion (pm-ri) eine der

14 Sichere Mensch- Roboterinteraktion Kollisionsvermeidung Sichere, robuste Regelung geringe Trägheit, hohe Nachgiebigkeit redundante Elektronik redundante Sensoren Sichere Konstruktion Planung Regelung Hardware Regelung, die robust bzgl. Änderungen in der Umgebung ist - direkte Kontrolle der Energiemenge, die dem System zugeführt wird. Kollisionsdetektion und -reaktion mit Drehmomentsensorik Sichere Software Kollisionsvermeidung mittels redundanter Kinematik Sicherheitsmaße, um die Effekte möglicher Unfälle abzuschätzen Ausführliche experimentelle Evaluierung 14

Änderungen in der Umgebung ist - direkte Kontrolle der Energiemenge, die dem System zugeführt wird.

15 Leichtbaukonstruktion Drehmomentsensoren in jedem Gelenk DLR Medizinroboter 4 7 Achsen 4 Gewicht< 10 kg 4 Last: 3 kg DLR Leichtbauarm 4 7 Achsen 4 Gewicht: 14 kg 4 Last :14 kg im reduzierte Arbeitsbereich 4 7.5kg ohne Einschränkung 15

kg DLR Leichtbauarm 4 7 Achsen 4 Gewicht: 14 kg 4 Last :14

16 Technologietransfer Schunk GmbH DLR-HIT-Hand 3dof-Prothese KUKA Roboter GmbH 16

17 Reglerkomponenten Leichtbauroboter mit elastischen Gelenken Drehmoment -sensor Präzise Bewegung Sichere Interaktion Mensch-Roboter-Umgebung aktive Schwingungsdämpfung Steifigkeitsregelung Kollisionsreaktion Vermeidung Selbstkollision robuste Aufgabenausführung 17

Mensch-Roboter-Umgebung aktive Schwingungsdämpfung

18 Schwingungsdämpfung Leichtbau Gelenknachgiebigkeit Schwingungen Messung Drehmomentsensor Schwingungsdämpfung 18

19 Reglerkomponenten Leichtbauroboter mit elastischen Gelenken Drehmoment -sensor Präzise Bewegung Sichere Interaktion Mensch-Roboter-Umgebung aktive Schwingungsdämpfung Steifigkeitsregelung Kollisionsreaktion Vermeidung Selbstkollision robuste Aufgabenausführung 19

20 Drehmomentregelung mit Schwerkraft-Kompensation 20

21 Kartesische Steifigkeitsregelung f _ {xd Δx f M K k D k x d 21

22 Modell des elastischen Roboters möglicher Zustandsvektor: 1 = { θ, & θ, q, q& } x T benutzter Zustandsvektor: T x = { θ, & θ, τ, & τ} 22

23 Kartesischer Impedanzregler Zweistufiges Konzept: 4Formung der potentiellen Energie - lokale, passive Rückführung Asymptotische Stabilisierung um x d ( ) Implementierung der gewünschten Steifigkeit ( ) Rückführung von 4Formung der kinetischen Energie aktive Rückführung Vibrationsdämpfung => erhöhte Performanz Rückführung von (Drehmomentregler) => vollständige Zustandsregelung Passivitätsbasierte Interpretation ermöglicht Lyapunov- Analyse 23

24 Kartesischer Impedanzregler Einheitlicher Ansatz für Drehmoment-, Positionund Impedanzregelung auf kartesischer und Gelenkebene x d x(q) kinematics dynamics q(θ) Passive environment J(q) impedance law g(q) u h -1 (θ) θ k torque control τ m τ,τ B θ d Passive motor structure dynamics τ a τ ext rigid robot dynamics q Passivität Robustheit im Kontakt mit der Umgebung 24

25 Passivity of the Considered Controller x = ( θ, & θ, τ, & τ) State feedback controller without friction compensation ( ): τ f θ. θ & x d Impedance control u C torque control K T B θ motor dynamics robot dynamics τ a Effect of torque control: τ (1 + K ) τ F T 1 F B B θ = (1 + K T ) 1 B 25

26 Impedanzregelung 26

27 27

28 DLR Hand II Impedanzregelung Gelenk-Impedanzregelung Kartesische Impedanzregelung Objekt-Impedanzregelung Passivity-Based Object-Level Impedance Control for a Multi-fingered Hand. T. Wimböck, Ch. Ott und G. Hirzinger, IROS

29 Impedanzverhalten für zweiarmige Manipulation τ d = V ( θ ) g( θ ) D( θ ) & θ θ Schwerkraftkompensation Steifigkeitsterm Dämpfungsterm 29

30 Regelung der omnidirektionalen, nichtholonomen mobilen Plattform Räder einzeln ausfahrbar Keine zusätzlichen Aktuatoren (insgesamt 8 Motoren) Bei konstantem Radabstand: alle Achsen schneiden sich in einem Punkt: Instantaneous Center of Rotation (ICR) Kein ICR existiert für eine allgemeine Bewegung die Verallgemeinerung der Regelungsansätze war notwendig. 30

31 Mensch-Roboterinteraktion Nachgiebige Regelung des gesamten Roboters Impedance Control w Admittance M D f v 31

32 Aufgabenprogrammierung Aufgabenorientierte Programmierumgebung Spracherkennung und - synthese Interaktives Teachen der Aufgabe durch Führen des Roboters Bahnplanung 32

33 Aufgabenprogrammierung Aufgabenorientierte Programmierumgebung Offene Steuerungsarchitektur mit Echtzeitschnittstelle Spracherkennung und - synthese Interaktives Teachen der Aufgabe durch Führen des Roboters Bahnplanung 33

34 Vermeidung von Kollisionen Vermeidung von Selbstkollisionen durch Abstoßungspotentiale Kompatibel mit dem passivitätsbasierten Ansatz 34

35 Sichere Mensch-Roboterinteraktion Wie sollen Sicherheitsstandards in der Robotik definiert werden? Bis vor ca. 2 Jahren bestand in der Robotik-Gemeinschaft nur lückenhaftes Wissen und teilweise falsche Vorstellungen bezüglich des Verletzungspotentials durch Roboter Neuester Standard für Industrierobotik: ISO besagt: 4 v_max < 0.25m/s ODER 4 F_max < 150N ODER 4 P_max = 80W Konservative Auslegung 35

36 Kollisionsexperimente Erste Kollisionsexperimente mit standardisierten Verfahren ( ADAC Landsberg) zur Evaluierung von Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen in pm-ri Strategie 1: Anhalten der Trajektorie Strategie 2: Drehmomentregelung mit Schwerkraftkompensation Es wurden Verletzungskriterien für Kopf, Hals und Brust untersucht. 36

37 Wie gefährlich ist der Roboter wirklich? 37

38 HIC - Head Injury Criterion Für alle getesteten Kriterien befand sich der LBR im unteren Viertel des grünen Bereiches. 38

39 Vertikale Nackenkraft Für alle getesteten Kriterien befand sich der LBR im unteren Viertel des grünen Bereiches. Neue Sicherheitsstandards sind für die Robotik erforderlich. 39

40 40

41 41

42 42

43 Gelenkelastizität ein Feature, nicht ein Nachteil Vorteile INTRINSISCH durch Konstruktion bzgl.: Sichere Interaktion mit Menschen Robuste Manipulation in unbekannter Umgebung Geschwindigkeits- und Energieeffizienz Constant Compliance: Series Elastic Actuators (G. Prall) Variable Impedance Actuation (VIA): (Bicchi, Univ. of Pisa) (Khatib, Stanford Univ.) 43

44 Das Prinzip der VIA Antagonistischer Ansatz nichtlineare Feder Motor 1 q1 q Last Motor 2 q2 Output Gelenkbewegung Steifigkeitseinstellung 44

45 Das neue DLR Hand- Arm- System Neue hand mit VIA Antrieben (32 Motoren) Skizze des VIA Arms Derzeitige Arbeiten: Aufbau Hand-Arm System Erweiterung der passivitätsbasierten Regelungsansätze für VIA Roboter 45

46 Compliance for walking Sarcos - Atkeson Flame Wisse Cornell Ranger - Ruina Lucy - Vanderborght

47 Compliance for rehabilitation Intelligent prosthesis - Herr Marionet Sulzer, Peshkin Lopes van der Kooij Altacro - Beyl Maccepa arm orthoses Vanderniepen 47

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