Entwicklung einer kombinierten inversen Kinematik f

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Entwicklung einer kombinierten inversen
Kinematik für einen Roboterarm und seine mobile
PlattformRingvorlesung Seminar

• Christoph Schmiedecke

Studiendepartment Informatik Hochschule für
Angewandte Wissenschaften Hamburg 6. Januar
2011
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Inhaltsverzeichnis

• Rückblick
• Anwendung 1
• Projekt 1
• Anwendung 2
• Projekt 2
• Stand der Dinge nach Projekt 2
• Masterarbeit
• Zusammenfassung

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Anwendung 1

• Thema Entwicklung einer allgemeinen inversen
  Kinematik
• Ziel Grundlegende Kenntnisse zu Robotern und
  ihrer Steuerung erwerben und verstehen
• Bewegungsapparat und Bewegungsablauf
• Koordinatensysteme
• Denavit-Hartenberg-Notation
• Vorwärts- und Rückwärtskinematik
• Mögliche kinematik-spezifische-Problemstellungen
• Fragestellung Wie lässt sich eine
  anwenderfreundliche Robotersteuerung für
  (variable) Roboter entwickeln

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Projekt 1

• Thema Erste Schritte zur Entwicklung einer
  allgemeinen dynamischen inversen Kinematik
• Ziel Beispielhafte Entwicklung einer inversen
  Kinematik anhand eines 2DOF-Gelenkarmroboters
  (zweidimensional gt einfach)
• Verstehen und anwenden der mathematischen
  Zusammenhänge
• Manuelle Durchführung sämtlicher Einzelschritte
• Entwicklung einer ersten inversen Kinematik
• Steuerung über einzugebende Koordinaten möglich
• Zusammenfassung Die Grundlage für weitere
  Überlegungen und Tests wurde geschaffen

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Anwendung 2

• Thema Differenzierung von Robotern in Industrie
  und Service
• Ziel Erkennen von Problemen bei der Steuerung
  von Robotern in verschiedenen Aufgabenbreichen
• Einblick in typische Aufgabenbereiche
• Pick and Place
• Bin-Picking
• Herausforderungen und Problemstellungen
• Statische / Dynamische Umgebung
• Objekterkennung
• Positionsbestimmung
• Wegplanung
• Zusammenfassung Neben Problemen der Kinematik
  wurden Problemstellungen für den Umgang mit
  Robotern erfasst und Lösungsvorschläge aufgezeigt

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Projekt 2

• Thema Erweiterung der 2DOF-Roboterarms aus
  Projekt 1 um Schubgelenke
• Ziel Wie ändert sich die inverse Kinematik, wenn
  die Bewegung der mobilen Plattform integriert
  wird?
• Mathematische Realisierung
• Funktionsweise und Handhabbarkeit
• Auftretende Probleme
• Erkenntnisse Thema für Masterarbeit bzw. nötige
  Einschränkungen erkennen oder Ziele ändern

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Stand der Dinge nach Projekt 2

• Was liegt vor?
• Informationen zur Entwicklung einer inversen
  Kinematik
• Problemstellungen bei der Entwicklung einer
  inversen Kinematik
• Prototyp einer inversen Kinematik (ohne
  Einschränkungen)
• Problemstellungen die über die reine Armbewegung
  hinausgehen
• Prototyp einer kombinierten (Arm mobile
  Plattform) inversen Kinematik
• Was muss noch beachtet werden?
• Einschränkung der Bewegung
• Optimierung der Bewegung über eigene
  Trajektorienplanung
• Hinderniserkennung
• Dynamisches Verhalten
• Kombination mit Sensoren

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Inhaltsverzeichnis

• Rückblick
• Masterarbeit
• Idee
• Problemstellungen
• Herausforderungen
• Erweiterungen
• Zusammenfassung

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Masterarbeit Idee

• Thema Entwicklung einer kombinierten inversen
  Kinematik für einen Roboterarm und seine mobile
  Plattform
• Idee Eine Kinematik für Alles
• Keine traditionelle Trennung zwischen der
  Bewegung des Arms und der Bewegung der mobilen
  Plattform
• Für beliebige Roboter verwendbar
• Keine physikalischen Begrenzungen
• gt Kann mehr als die Realität
• Sehr flexible Bewegungen möglich
• Basis bildet der vorhandene Scitos G5

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Masterarbeit Problemstellungen 1 / 3

• Einschränkungen müssen beachtet und integriert
  werden
• Roboterbewegung (Armbewegung, Bewegung im Raum)
• Bewegungsmöglichkeiten der mobilen Plattform
• Fahrverhalten (Armverhalten während der Fahrt)
• Zeitliche Bewegung des Roboters (z.B.
  Gelenkgeschwindigkeiten)
• Aufbau des Scitos G5 (2 redundante Drehachsen)
• Mathematische Probleme (Singularität, Mehrdeutige
  Lösungen, keine Lösungen, )

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Masterarbeit Problemstellungen 2 / 3

• Einschränkungen bei der Roboterbewegung
• In den Gelenken des Roboters (Gelenkbeschränkungen
  )
• Durch den Aufbau des Roboters (roboterfeste
  Beschränkungen)
• Bei der Bewegung im Raum (äußere Hindernisse)

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Masterarbeit Problemstellungen 3 / 3

• Einschränkungen der mobilen Plattform
• Zwei Antriebsräder, ein feststehendes Rad
• Keine Rotation auf der Stelle
• Nur Kurvenbewegungen möglich

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Masterarbeit Herausforderungen 1 / 2

• Einschränkung der Mathematik
• Einschränkung bei Bewegung und Anfahrt
• Einschränkung je nach Robotertyp /
  Robotermöglichkeiten
• Trajektorienplanung
• Armbewegung möglich?
• Plattformbewegung möglich?
• Hindernisse im Raum?
• Objektanfahrt
• Wie wird das Objekt am besten angefahren
• Testen verschiedener Szenarien
• Keine Einschränkungen, Gelenkeinschränkungen,
  Hindernisse,

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Masterarbeit Herausforderungen 2 / 2

• Performance
• Geschwindigkeit der Berechnung in Echtzeit
• Geschwindigkeit der Trajektorienplanung
• Anpassungsaufwand für neue Robotertypen
• Implementierung
• Vorerst Matlab
• Andere Systeme
• Praxistauglichkeit
• Anwendung auf echten Roboter

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Masterarbeit Erweiterungen

• Verwendung von Sensoren
• Robotereigene Sensoren Sonar, Laser,
• Hinderniserkennung
• Distanzbestimmung
• Externe Sensoren Kameras oder Raumsystem
• Objektauffindung / -verfolgung
• Hinderniserkennung
• Zielkoordinaten bestimmen
• Anwendung auf verschiedene Robotertypen
• Verwendung verschiedener Endeffektoren
• Auswirkungen bei der Verwendung verschiedener
  Endeffektoren

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Inhaltsverzeichnis

• Rückblick
• Masterarbeit
• Zusammenfassung

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Zusammenfassung

• Kombination von Armbewegung und Roboterfahrt in
  einem Verfahren
• Herausforderung liegt in der Einschränkung der
  Berechung während der verschiedenen
  Bewegungsphasen und in der speziellen
  Trajektorienplanung
• Entscheidung für weiteres Vorgehen nach Projekt 2
  und einer möglichen Testphase vor der Masterarbeit

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Quellen

• Bilderquellen
• (S. 2) Katana http//www.neuronics.com/
• (S. 4) Care-O-Bot http//www.care-o-bot.de/
• (S. 4) Bin-Picking Robot http//www.ah-automation
  .se/images/ah_automation_bin-picking__plockni_109.
  jpg
• (S. 8) Scitos G5 http//www.metralabs.com