Strukturvariable Regelung eines humanoiden Roboterarmes mit bildgebenden und Kraft-Momenten-Sensoren. Bodmar Diestel-Feddersen, Giulio Milighetti

Transkript

1 mit bildgebenden und Kraft-Momenten-Sensoren Bodmar Diestel-Feddersen, Giulio Milighetti

2 Inhalt 1. Motivation und Aufgabenstellung 2. Multisensorielles Regelungskonzept zum Fallbeispiel Peg-In-Hole 3. Simulationsmodell und ergebnisse 4. Experimentelle Untersuchungen 5. Zusammenfassung und Ausblick Seite 2

3 1. Motivation und Aufgabenstellung 1.1 Motivation DFG Sonderforschungsbereich 588: Humanoide Roboter - Lernende und kooperierende multimodale Roboter intelligente Mensch-Roboter Kooperation Einsatz im direkten Umfeld des Menschen Aufgabe des IITB im Teilprojekt R2: Überwachung und Regelung humanoider Roboter Seite 3

4 1. Motivation und Aufgabenstellung 1.2 Aufgabenstellung Entwicklung und Untersuchung eines Konzeptes zur Lösung des Skills Fügen, engl. Peg-In-Hole Stereokamera Integration der Stereokamera und des Kraft-Momenten-Sensors Nutzung der Entwicklungs- und Simulationsumgebung ADAMS/ Controls, MATLAB Simulink Erprobung der Funktionalität an der Roboter-Sensorplattform des IITB Kraft-Momenten-Sensor Seite 4

5 2. Multisensorielles Regelungskonzept zum Fallbeispiel Peg-In-Hole 2.1 Lösungskonzept Orientiert sich am Verhalten des Menschen Phase 1: Grobe visuelle Lokalisierung der Bohrung mit 3D Stereokamera und positionsgeregelte Annäherung Phase I z x y Phase II Phase 2: z y Taktiler Scanvorgang (hybride Kraft-Positionsregelung), genaue Lokalisierung der Bohrung x Phase IV Phase 3: Phase III Erzeugen einer 3-Kontaktpunkte Konfiguration Phase 4: Ausrichtung des Bolzens nach analytischem Modell Phase 5: Phase V Positionsgeregeltes Fügen Seite 5

6 2. Multisensorielles Regelungskonzept zum Fallbeispiel Peg-In-Hole Kontaktpunkte Konfiguration Ausrichtung über analytisch hergeleitete Geschwindigkeitsprofile: p& p& y z = r = r sin ( 2 + cos( α )) ( 1 cos( α )) 1+ cos( α ) ( α ) & α & α r h y z x α (Ausrichtungsfehler) Kontaktpunkt K3 β y x z β Kontaktpunkte K1 und K2 Seite 6

7 3. Simulation 3.1 Vorgehensweise Modellierung der Robotermechanik in ADAMS/View Modellierung des Regelungskonzeptes blockorientiert in Simulink ADAMS/Controls Gemeinsame Simulation der Teilsysteme (sog. Co-Simulation) Seite 7

8 3. Simulation 3.1 Dynamisches ADAMS Modell Versuchsplattform am IITB Modularer Manipulatorarm der Firma AMTEC Sieben Freiheitsgrade und Greifer Ausgestattet mit Kraft-Momenten- Sensor und Stereokamera ADAMS Modell Realitätstreue Darstellung der PowerCube Module Elastizität des Kraft-Momenten- Sensors Berücksichtigung der viskosen und Coulomb Reibkräfte in den Gelenken Versuchsplattform ADAMS Modell Seite 8

9 3. Simulation 3.1 Dynamisches ADAMS Modell Reduzierung der PowerCube Module auf die Komponenten, die die Trägheit bestimmen Berücksichtigung der Harmonic Drive Getriebe und Rotoren Seite 9

10 3. Simulation 3.2 Regelungskonzept in MATLAB/Simulink Kraftregler Umschalter Roboter Dynamik (ADAMS) Direkte Kinematik Inverse Kinematik Servoregelung Sollwertgenerierung Positionsregler Prozessmonitoring Seite 10

11 3. Simulation 3.3 Ergebnisse Simulationsvideo Seite 11

12 3. Simulation 3.3 Ergebnisse PHASE I PHASE II PHASE III PHASE IV PHASE V Kartesische Ist-Position des Endeffektors und die Sollpositionen der Trajektoriengenerierung 1 2 Kraft-/ Momentenverläufe zur Detektion der Phasenübergänge 3 Phase II 2 3 z x y 1 Weltf rame Seite 12

13 4. Experimentelle Untersuchungen 4.1 Groblokalisierung durch Stereokamera Grobschätzungen der Stereokamera Pattern Matching Seite 13

14 4. Experimentelle Untersuchungen 4.2 Ergebnisse Phase I Phase II Phase III Phase IV Phase V Kartesische Ist-Position des Endeffektors 2 Kraft-/ Momentenverläufe zur Detektion der Phasenübergänge 1 Abweichungen zur Simulation 3 Scangeschwindigkeit reduziert Berücksichtigung der Haftreibung Seite 14

15 4. Experimentelle Untersuchungen 4.3 Feinschätzung Genaue Mittelpunktschätzungen abhängig von der taktilen Scanhöhe Qualität der Schätzungen nimmt zum Randbereich ab Mittelpunktschätzungen Scanlinien Seite 15

16 4. Experimentelle Untersuchungen 4.4 Ergebnisse Seite 16

17 4. Experimentelle Untersuchungen 4.5 Robustheit gegenüber Toleranzen Phase V Fügen TCP y-position Gegenkraft F y Erkenntnisse: Toleranz bis 0.25 mm untersucht und erfolgreich erprobt Lockere Führung des Greifers bewirkt Abbau der Gegenkraft Seite 17

18 5. Zusammenfassung und Ausblick 5.1 Zusammenfassung Vorstellung eines neuartigen Konzeptes zur Lösung des Peg-In-Hole Problems für den Bereich der humanoiden Robotik Modell der Robotermechanik in ADAMS und strukturvariable Kraft- Postitionsregelung in Simulink ermöglicht realitätsnahe Simulation Übertragung des Konzeptes auf Versuchsplattform Funktionierendes Lösungskonzept wurde entwickelt und erprobt Vorstellung auf der Konferenz 2004 Workshop on Advanced Control and Diagnosis (ACD), eingereicht für IEEE ICRA 2005 Seite 18

19 5. Zusammenfassung und Ausblick 5.2 Ausblick Entwicklung, Untersuchung und Optimierung weiterer Skills mit dem erstellten Simulationsmodell Integration von zwei Roboterarmen in das Modell, Reduktion der Simulationszeit erforderlich Transfer des Peg-In-Hole Skills auf den Demonstrator, der im Rahmen des SFB erstellt wird Weitere Variationen der Körpergeometrie, autonome Erkennung der Fügekörper und Lokalisierung des komplementären Loches Seite 19