Entwicklung und experimentelle Erprobung von perzeptorisch geregelten Grundgeschicklichkeiten humanoider Roboter G. Milighetti, T. Emter, C. Frey, H.-B. Kuntze Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) Abteilung Mess-, Regelungs- und Diagnosesysteme (MRD) 0
Entwicklung und experimentelle Erprobung von perzeptorisch geregelten Grundgeschicklichkeiten humanoider Roboter Einleitung Versuchs- und Entwicklungsplattform Implementierung von Grundgeschicklichkeiten Zusammenfassung
Einleitung Aufgaben eines humanoiden Roboters: Direkte Interaktion mit dem Menschen Stark veränderliche Umgebung Bedarf nach menschenähnlichen Fähigkeiten Ihre Bewältigung erfordert Grundgeschicklichkeiten auf Basis von: künstlichen Sinnen (Sehen, Hören, Fühlen,...) zur Perzeption der komplexen Umgebung leistungsfähigen Methoden zur intelligenten multisensoriellen Fusion der erfassten Umweltinformationen anwendungsspezifischen Planungs- und Regelungsstrategien durch Zerlegung komplexer Aufgaben in Aktionsprimitive 3
Einleitung Entwicklung der notwendigen Grundmethodik im Sonderforschungsbereich SFB 588 Humanoide Roboter Versuchs- und Entwicklungsplattform ermöglicht Untersuchung von Grundgeschicklichkeiten entkoppelt von anderen F&E-Arbeiten am Roboter Mehrzahl der Grundgeschicklichkeiten erfordert den Einsatz des Oberkörpers (Kopf, Arme, Hände) bei stehendem Unterkörper Einige Grundgeschicklichkeiten müssen auch während der Laufbewegung des Unterkörpers bewältigt werden (z. B. Tragen eines Tabletts) 4
Einleitung Implementierung komplexer Grundgeschicklichkeiten erfordert: Multisensorielles diskret-kontinuierlichen Überwachungs- und Regelungskonzept Eine modulare dynamische Aufgabenstruktur basierend auf Aktionsprimitiven und Petri-Netzen Einen echtzeitfähigen und transparenten Fuzzy- Entscheidungsfindungsalgorithmus 5
Versuchs- und Entwicklungsplattform 1. 2DoF-Sensorkopf 2. Linker 7DoF-Arm 3. Rechter 7DoF-Arm 4. 2-Finger-Greifer 5. 5-Finger-Hand 6. Mikrofon-Array 7. Stereokamera 8. Handkamera 9. Kraft-Momenten- Sensoren 10. Taktile Sensoren 11. Schlupfsensor 6
Versuchs- und Entwicklungsplattform Entwicklung eine Versuchsplattform zur Untersuchung umweltinteraktiver Regelungsalgorithmen beim Laufen: Handhabungen/Interaktion durch Teilkomponente des Oberkörpers (z. B. Kopf, Arm) Stewart-Plattform zur Simulation der Hüftbewegung Mobiler Roboter zur Nachbildung der Laufgeschwindigkeit 7
Versuchs- und Entwicklungsplattform 120 100 80 x c y c z c Motion [mm] 60 40 20 0-20 -40-60 Bewegungsdaten aus dem Sportinstitut -80 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time [s] 8
Sicht- und kraftgeregeltes Fügen Stereokamera Grobe Schätzung der Position der Bohrung mittels Stereokamera Erstellung des Kontakts Abtasten der Oberfläche mittels Kraft-Moment-Sensor zur genaueren Schätzung der Sollposition Positionsgeregeltes Fügen Kraft-Moment-Sensor 9
Hören, Sehen und Greifen Audio-Array und Stereokamera Grobe Lokalisierung eines Geräuschquelle durch das 3D-Audio-Array Ausrichtung der Stereokamera und visuelle Bestimmung der Position des heruntergefallenen Objektes Sichtgeregelte Annährung unter Verwendung von bildgebenden Nah- und Weitbereichssensoren (Hand- und Stereokamera) Handkamera Greifen des Objektes 10
Schlupf- und kraftgeregeltes Greifen Kraftschlüssiges Heben und Tragen von unbekannten glatten und schweren Objekten F F,max = µ F N Kraft-Momenten- Sensoren Linker Arm F N Rechter Arm F G = mg Schlupfsensor 11
Schlupf- und kraftgeregeltes Greifen Schlupfsensor 5 0-5 Grasp Carrying Placement Vorgegebener Kraftsollwert Adaptierter Kraftsollwert Force [N] -10-15 -20-25 -30 0 5 10 15 20 25 Time [sec] 12
Schlupf- und kraftgeregeltes Greifen KM-Sensor Schlupfsensor Taktiles Array 13
Schlupf- und kraftgeregeltes Greifen 1. Kalibrierung und Reibungsschätzung 2. Stationärer Zustand 3. Störgröße 4. Absetzen 15
Schlupf- und kraftgeregeltes Wischen bewegter Oberflächen 16
Schlupf- und kraftgeregeltes Wischen bewegter Oberflächen Bearbeitung eines bewegten Objekts (5cm in x- und y-richtung) -0.22 Kartesische Trajektorie 6 Trajektorienfehler (dynamischer + Messfehler) -0.24 4-0.26 2 x [m] -0.28-0.3-0.32 Error [mm] 0-2 -4-0.34-6 -0.36-8 -0.38-10 -0.4 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6 0.62 0.64 0.66 0.68 y [m] -12 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Zeit [s] Soll-Traj. Modif. Soll-Traj. Ist-Traj. X-Fehler Y-Fehler 17
Balancieren instabiler Objekte Messung der Ballposition mittels Stereokamera (Totzeit!) Unbekanntes Reibungsmodell Kalman-Filter zur Kompensation der Totzeit Störgrößenbeobachter zur Schätzung der Reibungskoeffizienten Fuzzy-PD-Regler für ein optimales dynamisches Verhalten 18
Balancieren instabiler Objekte Billardkugel 60mm Holzkugel 30mm Ballposition Position [m] [m] 0.15 0.1 0.05 0-0.05-0.1-0.15 Measured Estimated Desired Ballposition [m] Ball Position [m] 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0-0.05-0.1-0.15 measured desired 0 10 20 30 Time [s] Zeit [s] 0 10 20 30 40 50 60 Time [s] Zeit [s] 19
Balancieren instabiler Objekte 20
Zusammenfassung und Ausblick Implementierung unterschiedlicher Grundgeschicklichkeiten auf Basis eines multisensoriellen diskret-kontinuierlichen Überwachungs- und Regelungskonzepts Versuchs- und Entwicklungsplattform ermöglicht die Entkopplung der F&E- Arbeiten von anderen parallel laufenden Teilprojekte Die meisten Grundgeschicklichkeiten erfordern den Einsatz des Oberkörpers (Kopf, Arme, Hände) bei stehendem Unterkörper Einige Grundgeschicklichkeiten müssen auch während der Laufbewegung des Unterkörpers bewältigt werden (z. B. Tragen eines Tabletts) 21