Untersuchungen zur flexiblen Steuerung von Service-Robotern

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1 Prof. Dr.-Ing. Matthias Seitz Institut für Automatisierungssysteme Fachbereich Elektrotechnik Untersuchungen zur flexiblen Steuerung von Service-Robotern 1. Anforderungen an Service-Roboter 2. Vorteile der SPS-Programmierung nach IEC Steuerung eines Roboterarms 4. Bildgestütztes Greifen 5. Steuerung der mobilen Basis 6. Gesamtsystem und Ausblick

2 1. Anforderungen an Service-Roboter Anwendungen: [Nasa-Homepage, 2004] Weltraum: - Erkundungen, - Reparaturen. Dienstleistungen im industriellen Umfeld: - Transport, - Inspektion, - Montage, - Demontage. Dienstleistungen im nicht-industriellen Umfeld: - Reinigung, - Rasenmähen, - Müll aufheben. [TMS-Homepage, 2004]

3 1. Anforderungen an Service-Roboter hohes Marktpotential, aber Voraussetzungen für erfolgreichen Einsatz: sensomotorische Fähigkeiten - Beweglichkeit, - Fusion verschiedenartiger Sensoren, - intelligente Sensordatenverarbeitung. [Siemens-Homepage, 2004] Flexibilität - veränderliche Umgebung, - wechselnde Aufgaben, - Funktionsanpassungen. Autonomie - Bewältigung unvorhergesehener Situationen, - selbständiges Ausführen vorgegebener Aufgaben.

4 2. Vorteile der SPS-Programmierung nach IEC 1131 grafische Programmierung Ablaufsprache Funktionsbausteinsprache Hochsprachen Strukturierter Text

5 2. Vorteile der SPS-Programmierung nach IEC 1131 objektorientierte Strukturierung Anwender-Funktionsbausteine Anwender-Datentypen Multi-Tasking Stand der Technik - anpassungsfähige und transparente Software - einheitliche Automatisierungssoftware nach industriellem Standard - Soft-SPS auf PC ablauffähig - SPS und CNC wachsen zusammen Motion Control auch für Robotik-Anwendungen

6 3. Steuerung eines Roboterarms [SA Stößer, von der Heyd 2003] Ziel: Greifen + Ablegen von Gegenständen z. B. zu transportierende Werkstücke, zu entsorgender Müll p soll p soll q soll p ist Bildverarbeitung Rücktrafo Ablaufsteuerung p stell q stell Rücktrafo q stell 5 Gelenke q = (q 1, q 2, q 3, q 4, q 5 ) T Vorwärtstrafo q ist Position p = (x, y, z, ϕ x, ϕ y, ϕ z ) T

7 3. Steuerung eines Roboterarms Ablaufsteuerung Sollwertvorgabe Ansteuerung

8 4. Bildgestütztes Greifen [SA Becker, Marino 2003] Systemaufbau Grauwertmatrix CCD- Kamera Frame- Grabber Videobilder BV AdOculos 3D Soll- Position Merkmale DDE SPS CoDeSys RS232 µc

9 4. Bildgestütztes Greifen Ablauf: Benchmark-Test 1. Hintergrund herausrechnen 2. Objekt vermessen 3. Annähern 4. Zugreifen 5. Ablegen

10 5. Steuerung der mobilen Basis Aufbau: Leitrechner PC Soft-SPS PC Funkmodem DDE Szenario: Ladestation Andockstation 2: Werkzeugmaschine 386-PC Kamera Ultraschall Andockstation 1: Hochregallager

11 5. Steuerung der mobilen Basis [DA Haag 2002] Regelkreis zur Navigation in einer bekannten Umgebung n n ist L max p soll n soll U L p ist min p p soll a b c 1 PID- Regler PID- Regler Antrieb links n R ist PID- Regler U R Antrieb rechts [Altenburg, Altenburg 2000]

12 5. Steuerung der mobilen Basis [DA Pöhlandt 2003] Akquisition von Umweltwissen in unbekannten Umgebungen Umweltkarte

13 5. Steuerung der mobilen Basis Ablauf: Aufbau einer Umweltkarte 1. Fahre geradeaus 2. Markiere abgefahrene, freie Flächen in Karte 3. Halte an Hindernis 4. Markiere Hindernis in Karte 5. Drehe in freie Richtung

14 6. Gesamtsystem und Ausblick Flexible Steuerung wurde erreicht durch: konfigurierbare Software nach IEC 1131, Nutzung verschiedener Sensoren flexibles Greifen Kollisionsvermeidung Navigation in unbekannter/veränderlicher Umgebung Gesamtsystem Leitrechner PC Soft-SPS Modem Videobilder PC Fahrbefehle DDE Modem Sensor - daten µc µc

15 6. Gesamtsystem und Ausblick nächste Ziele: Integration mobile Basis mit Arm taktile Sensorik zur Unterstützung des Greifens Verbesserung der Navigation Kompass, Bildverarbeitung Förderung Land Baden-Württemberg Fa. Pepperl + Fuchs, Mannheim Fa. Smart Software Solutions - 3S, Kempten

16 Quellen: Nasa-Homepage: TMS- Homepage: Siemens-Homepage: PLCopen-Homepage: Seitz, M.: Speicherprogrammierbare Steuerungen, Fachbuchverlag Leipzig, Stößer, T. und von der Heyd, C.: Untersuchungen zur geregelten Positionierung und Bahnplanung eines 5-achsigen Roboterarms über eine SPS, Studienarbeit, FH Mannheim, Becker, B. und Marino, M.: Anbindung eines optischen Systems zur Objekterkennung an einen Roboterarm, Studienarbeit, FH Mannheim, Haag, E.: Aufbau und Inbetriebnahme eines Steuerungssystems zur Navigation und Beobachtung eines autonomen Fahrzeugs, Diplomarbeit, FH Mannheim, Pöhlandt, M.: Konzeption und Entwicklung eines autonomen mobilen Robotersystems, Diplomarbeit, FH Mannheim, Altenburg, J. und Altenburg, U.: Mobile Roboter, Hanser Vlg., 2000.

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