RAUMFAHRT-ROBOTIK: SIMULATION UND ANWENDUNG

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1 RAUMFAHRT-ROBOTIK: SIMULATION UND ANWENDUNG Bernd Schäfer Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR Oberpfaffenhofen Institut für Robotik und Mechatronik (RM) D Wessling Workshop Virtuelle Produktentwicklung für Raumfahrtsysteme 12. Juni 2007, DLR Köln-Porz Bernd Schäfer

2 Themen für RF-Robotik Bewegungssimulation Freiflieger mit Robotik Bahnplanung für Einsatz eines Manipulators Satelliten-Einfangen (TECSAS, DEOS) Telepräsenz: semi-autonome Betriebsmoden Rapid Prototyping für RF-Robotik Einsatz Planetare Rover: Mobilität, Stabilität, raues Gelände Grundlegende Untersuchungen zu RF-Robotik Szenarien-Entwicklung: insb. für mobile Exploration 2 - Bernd Schäfer

3 Telepräsenz (augmented) : Haptisches & visuelles Feedback in der VR M o v i e 3 - Bernd Schäfer

4 On-Orbit Servicing: Capturing Strategien M o v i e 4 - Bernd Schäfer

5 Dynamik: Interaktion Satellit - Manipulator M o v i e 5 - Bernd Schäfer

6 Planetare Rover: Mobilität & Stabilität M o v i e 6 - Bernd Schäfer

7 M o v i e 7 - Bernd Schäfer

8 DLR 4-Finger Hand: A Multibody System 14 DOF M o v i e 8 - Bernd Schäfer

9 WERKZEUGE für 1. Modellbildung & Simulation Entwurf: geometrisch / kinematisch Dynamisches Verhalten (Robot, Mobilität) 2. Optimierung: Geometrie (Kompaktheit), Kinematik (Manipulator, Rover), Dynamik (Energie, µ-g, ) 3. Datenbasis: aus CAD, Interface-S/W 4. Visualisierung & Animation 9 - Bernd Schäfer

10 Eingesetzte WERKZEUGE 1. Kommerziell Simpack Matlab / Simulink Modelica / Dymola ProEngineer, CATIA 2. Eigenentwicklung Assembly Panel (Matlab basierend) Telepräsenz-Aufgaben Interfaces zu - Eingabegeräte: 3D/6D Mouse, haptisch, - Matlab, Simpack, Modelica, 10 - Bernd Schäfer

11 Haptisches und visuelles Feedback in der VR für Montageuntersuchung und Training Bildinformation (Virtual Design 2) Graphisches Rendering 30Hz Graphisches Ausgabegerät Objektlage z.b. Kameraposition Mensch Modelle Haptisches Rendering Kräfte 1kHz Haptisches Interface Lage des Endeffektors

12 Haptische Interfaces Mechanische Ansätze Leichtbau - geringer Trägheit - erhöhter Sicherheit - Performanzgewinn geringe Reibung und Elastizität Entkopplung der Achsen Regelungstechnische Ansätze Reduktion der Rest-Trägheit: - Kraftregelung - interne Sensorik - hochdynamischen Antgrieben Schwerkraftkompensation Inverse Modelle (computed torque) 12 - Bernd Schäfer

13 Haptisches Rendering Voxmap-PointShell (VPS) Algorithmus Zur schnellen Kollisionserkennung Eigenschaften: Konstante Berechnungszeit zur Kollisionserkennung während der Simulation Berechnungszeit ist unabhängig von der Komplexität der Szene Abtastraten von 1kHz für Kollisionserkennung und Kraftberechnug realisiert 13 - Bernd Schäfer

14 OOS On-Orbit Servicing : Satellite Capturing Dynamik & Regelung (Mehrkörperdynamik, ) Bahnplanung (t min, E min, ) Kollisionsvermeidung Risiko Detektion Design Stopper Data Basis: I/F durch Intl. Kooperation (Japan, ) 14 - Bernd Schäfer

15 TECSAS / DEOS: Satellite Capture Technology Satellite for Demonstration and Verification of Space Systems Rendezvous & Docking, Capturing, Dynamics Interaction between two satellites and manipulator in between 15 - Bernd Schäfer

16 Semi-Autonomous Grasping of Non-Cooperative Target 16 - Bernd Schäfer

17 Software Description 17 - Bernd Schäfer

18 Simulationsumgebung - Control Panel (s. nachfolgende Folie): Die 'control panel features' sind folgende: 1. The spacemouse can be used to control the chaser satellite base, the target satellite, the robot end-effector or a pointing hand, used to define the end position of the end-effector for the point-to-point motion planner; 2. The path planner can plan point-to-point and target-grasp motions; 3. The target rotational motion is computer on-line and can be regulated on the panel 4. Two cameras can be selected by the used for viewing: a world view and a view from a camera on the end-effector) 18 - Bernd Schäfer

19 19 - Bernd Schäfer

20 Satellite Capturing: OLEV - ConeXpress 20 - Bernd Schäfer

21 M o v i e Matlab based with Contact Dynamics modules (own & Simpack) 21 - Bernd Schäfer

22 Grundlegende Untersuchungen zu RF-Robotik Manipulatorauslegung, Rapid Prototyping Risiko Detektion Design Stopper Geometrie & Kinematik (missionspezifisch) Dynamik, Interaktion mit Satelliten & Rover Inverse Kinematik, Inverse Dynamik Redundanz: Erhöhung der Geschicklichkeit und Ausfallsicherheit 22 - Bernd Schäfer

23 Manipulator Assembly Panel (Matlab/Simulink) Rapid Prototyping 23 - Bernd Schäfer

24 Bibliothek (CAD-based design) basic joint roll-pitch (or yaw) joint yaw-pitch joint wrist joint roll roll pitch pitch roll roll symmetrical link roll axes do intersect asymmetrical link roll axes do Not intersect 24 - Bernd Schäfer

25 Symmetrical robot design components Asymmetrical robot design components 25 - Bernd Schäfer

26 Database, Modeling and Simulation Environment Database Modelica Classes CAD Files Mechanical Informations Trajectories Controller Structures Inverse Kinematics Robot Design Optimization Assembly Panel Modeling Simulation DYMOLA / DYMOSIM Modelica Robot Model C-Code / model.exe Model Simulation DDE MATLAB VRML World Inverse Kinematics Robot Online Control (Space Mouse) Inverse Kinematics Monitoring Animation (Virtual Reality Toolbox) SIMPACK Simpack Robot Model Simpack Robot Graphics Robot Online Control (Space Mouse) Inverse Kinematics Model Simulation Animation 26 - Bernd Schäfer

27 Manipulator Deployment from Stowed Configuration M o v i e 27 - Bernd Schäfer

28 Visualisation of Joint (Motor) Torques M o v i e 28 - Bernd Schäfer

29 B B* A Redundant Robot resp. Kinematics L = f q + λ hq ( ) T ( ) Minimum Lagrange Multiplier Neben bedingung q i FK : x= f( q) q 1 IK q f x 1 : = ( ) fq ( ) x = q = J ( q) q q Jacobi q = J ( q) x Pseudo Inverse(7 6) Matrix 29 - Bernd Schäfer

30 Free-flyer B des A MMP Constraints: A B Angular momentum constant (non-holonomic) Linear Momentum constant Ang.Mom. = 0 Lin.Mom. = Bernd Schäfer

31 q i F i q i T i q iref, Velocities Accelerations Reference Configuration Optimization Criteria: F base, T base Forces Motor Torques Satellite Basis: Forces & Torques micro gravity Inverse Kinetics! 31 - Bernd Schäfer

32 Example of a Redundant Mobile System, Modeling and Simulating the Kinematics and Dynamics: 3-Legged Mobile System, resembling ESA s EUROBOT for ISS M o v i e 32 - Bernd Schäfer

33 M o v i e EUROBOT 33 - Bernd Schäfer

34 M o v i e 34 - Bernd Schäfer BEETLE Planetary Walking Robot

35 Planetare Exploration: Mobilität und Geschicklichkeit Einsatzszenarien entwickeln (Experimente) Mobilität und Stabilität: Missionserfolg, Sicherheit Interaktion Rad Boden: raues Gelände, Terramechanik Geometrie und Kinematik Risiko Detektion Design Stopper 35 - Bernd Schäfer

36 Aurora-Programm der ESA: ExoMars > 2013 Lokomotion: gehen, hüpfen, fliegen,, fahren (Räder, Ketten) MER Beetle ExoMars Solero Nanokhod Biologisch inspiriert: Krabbler 36 - Bernd Schäfer

37 Manipulation und Geschicklichkeit anthropomorphes, universelles Greifwerkzeug 4-Finger Hand: DLR-HIT / Fa. Schunk 37 - Bernd Schäfer

38 Integration zu einem hochflexiblen Gesamtsystem Multisensorieller Kopf: Stereokamera, Laserscanner, Lichtschnittprojektor (Laser) LBR-3: 13 kg Gewicht 15 kg Payload 150 Watt 1.20 m lang Rovonaut JUSTIN: 2-Arm Torso Robonaut 38 - Bernd Schäfer

39 M o v i e 39 - Bernd Schäfer DLR 2-ArmTorso = Justin

40 Movie: Rovonaut M o v i e 40 - Bernd Schäfer

41 Planetary Rover - ExoMars: Modeling and Simulating Contact Dynamics during Motion M o v i e 41 - Bernd Schäfer

42 Planetary Rover, ExoMars: Modeling and Simulating Contact Dynamics based upon CAD grid models 42 - Bernd Schäfer

43 43 - Bernd Schäfer

44 Zusammenhang Modelica Dymola Modelica (freie Spezifikation): Textuelles Format um Modell + Graphik + Animation von Komponenten zu definieren Dymola (Kommerzielles Programm von Dynasim): Graphischer Editor für Modelica Modelle Dymola: Übersetzung von Modelica nach C (Symbolische Transformationen), + simulieren + plotten, Animation 44 - Bernd Schäfer

45 Modelica is a free modeling language for physical system models consisting of components from different engineering domains (www.modelica.org/library.html). A powerful commercial tool (Dymola) is available for model editing and simulations. Modelica is eligible for object oriented modeling of physical systems consisting of components from different engineering domains. Many free and commercial Modelica libraries are available (multi body, flexible bodies, optimization, control design, amongst many others). Incorporation in Simulink and download to a hardware platform for real time execution is easily to be accomplished (with Dymolas Simulink export). The latter is meaningful since the tool chain for real time implementation of the model based controller is ready. Moreover, the use of Modelica is pushed by the 2006 decision of Dassault Systèmes (DS) to select the open standard, Modelica, to be at the core of DS open strategy. DS, a world leader in 3D and Product Lifecycle Management (PLM) solutions, presented its CATIA Systems strategy, putting embedded systems modeling at the heart of CATIA. CATIA Systems is based on behaviordriven simulation using Modelica and Dymola. MOPS (Multi-Objective Parameter Synthesis) for both, robust controller designs and for parameter optimization, developed at DLR. Realistic (control law) design is a multidisciplinary task involving the simultaneous minimisation of many design criteria in the presence of various constraints. Typically, the different criteria and constraints are evaluated using computational models developed for different engineering disciplines or resulting from different modelling formalisms. MOPS explicitly supports the usage of different multidisciplinary models (or multi-models) to evaluate the design criteria. Structure of SIMPACK MOPS and overview of process and file interfaces 45 - Bernd Schäfer

46 Simpack Modelica / Dymola interface 46 - Bernd Schäfer

47 Simpack in the concurrent engineering process 47 - Bernd Schäfer