Professur Robotersysteme

Forschungsschwerpunkt Mensch-Roboter-Interaktion
Eine Form der Mensch-Roboter-Interaktion ist die kraftgeführte Bewegung (Handführen). Dabei wird der Roboter vom Bediener durch den Arbeitsraum geführt, indem dieser mit entsprechenden Kräften oder Momenten auf den Roboterarm einwirkt. Im Gegensatz zum Einsatz des sonst üblichen Handbediengerätes ist diese Art der Bewegungssteuerung für den Anwender weitaus intuitiver. Neben den Anwendung der kraftgeführten Bewegung zum Teach In ergeben sich weiter Einsatzgebiete, wie Assistenzaufgaben des Roboters oder die Telerobotik.
Kraftgeführte Bewegung im Gelenkraum
Die kraftgeführte Bewegung (Handführen) entspricht prinzipiell der Regelung der vom Kraft-/ Momentsensor (KMS) gemessenen Kontaktkräfte und -momente zu null. Üblicherweise erfolgt dabei die Bewegungssteuerung des Roboters im kartesischen Raum, d. h. Kräfte haben translatorische Bewegungen zur Folge und Drehmomente führen zu rotatorischen Bewegungen des Endeffektors. Diese Vorgehensweise hat die Eigenschaft, dass das Bewegungsverhalten des Roboter häufig im Widerspruch zu den Erwartungen des Bedieners steht. Es ist unabhängig von der Kinematik des Roboterarms. Im Gegensatz dazu wird bei dem Ansatz zur kraftgeführten Bewegung im Gelenkraum die Kinematik berücksichtigt. Die vom KMS gemessenen Kräfte und Momente werden mit Hilfe der transponierten Jacobi-Matrix des Roboters in entsprechende Gelenkmomente bzw. -kräfte überführt. Die Bewegungssteuerung erfolgt dann durch das sog. Wunschverhalten im Gelenkraum. Es stellt den Zusammenhang zwischen Gelenkmoment und Gelenkwinkel her. Ein geeigneter Ansatz für das Wunschverhalten ist das Verhalten eines Masse-Dämpfer-Systems. Der Algorithmus zur kraftgeführten Bewegung im Gelenkraum hat den entscheidenden Vorteil, dass er robust gegenüber Singularitäten ist.
Film (MPEG ca. 18,4MB)
Kraftgeführte Bewegung ohne zusätzliche Sensorik
Da die Ausstattung eines Roboters mit einem 6-Komponenten-Kraft-/ Momentsensor mit erheblichen Kosten verbunden ist, wäre es wünschenswert, bei der kraftgeführten Bewegung ohne diesen auszukommen. Eine Möglichkeit ist die Schätzung der Kontaktkräfte aus den Motorenströmen. Um Zugang zu den Motorenströmen zu bekommen, wurde an der Professur Robotersysteme ein Roboter vom Typ Manutec r3 mit einer sog. offenen Robotersteuerung ausgerüstet. Vom originalen Steuerschrank wurden nur die Leistungsbaugruppen beibehalten. Für geringe Geschwindigkeiten erhält man nach dem Herausrechnen von Gewichts- und Reibmomenten aus den Antriebsmomenten die Kontaktmomente. Diese können dann zur kraftgeführten Bewegung verwendet werden. Neben dem Kostenvorteil ist eine weiter positive Eigenschaft des Algorithmus die Folgende: Der Angriffspunkt des Bedieners bleibt nicht auf den Endeffektor beschränkt. Krafteinwirkungen können am gesamten Roboterarm stattfinden. Dadurch kann der Roboter gezielter gesteuert werden, was besonders bei redundanten Manipulatoren von Bedeutung ist.
Film (MPEG ca. 18,9MB)