Konzeption und Implementierung einer Kraftregelung für die aktiven Flipper des mobilen Robotersystems Moebhius

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1. Aufbau des Moebhiu[2]s Robotersystems
1.2. Motivation
1.3. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit

2. Stand der Technik und Forschung bei mobilen Robotersystemen
2.1. Historische Entwicklung mobiler Robotersysteme
2.1.1. Erste Implementationen
2.1.2. Klassifizierung heutiger mobiler Robotersysteme
2.2. Regelung mobiler Robotersysteme
2.3. Regelungskonzepte
2.3.1. Roboter-Positionsregelung
2.3.2. Roboter-Kraftregelung
2.3.3. Hybride Kraft- und Positionsregelung

3. Kraftregelung in der Robotik
3.1. Grundlagen der Kraftregelung
3.2. Kontaktmodellierung zwischen Robotersystem und Umwelt
3.3. Kennwerte des Kontaktes
3.3.1. Kraft und Drehmoment im Kontakt
3.3.2. Impedanz und Admittanz des mobilen Robotersystems
3.4. Übersicht bekannter Kraftregelungsverfahren
3.4.1. Nachgiebige Roboterapplikationen
3.4.2. Impedanzregelung
3.4.3. Admittanzregelung
3.4.4. Explizite Kraftregelung
3.4.5. Kaskadierte Kraftregelung
3.4.6. Adaptive Kraftregelung

4. Auswahl eines Kraftregelungsverfahrens für die Flipper des Moebhiu[2]s
4.1. Anforderungen an eine Regelung der Flipper
4.2. Bewertung und Auswahl der Regelverfahren
4.2.1. Bewertung der Regelungsprinzipe
4.2.2. Bewertung der Regelungsverfahren

5. Auslegung und Evaluierung der Impedanzregelung
5.1. Modellierung der Impedanzregelung
5.2. Implementierung des Reglerentwurfs
5.3. Vorstellung des eingesetzten Prüfstandes
5.4. Empirische Dimensionierung der Regelparameter
5.4.1. Theorie des empirischen Optimierens
5.4.2. Anforderung an die Dimensionierung der Regelparameter
5.5. Auslegung der Impedanzregelung am Prüfstand
5.5.1. Definition der Simulationsbedingungen
5.5.2. Simulation „Fahren auf einer Ebene mit Hindernissen“
5.6. Erprobung der Regelung in dynamischen Einsatzumgebungen
5.6.1. Simulation „Fahren auf einer schiefen Ebene“
5.6.2. Simulation „Unregelmäßige Wellenbahn mit niedriger Frequenz“
5.6.3. Simulation „Regelmäßige Wellenbahn mit hoher Frequenz“

6. Zusammenfassung und Ausblick

7. Anhang

I. Programmierter Impedanzregeler

II. Symbolverzeichnis

III. Literaturverzeichnis

IV. Abbildungsverzeichnis

V. Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

1.1. Aufbau des Moebhiu[2]s Robotersystems

Das mobile Robotersystem Moebhiu[2]s, das am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Konstruktionstechnik an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt wurde, hat zum Ziel, die Ortung und Bergung von Verschütteten in Trümmerstrukturen zu gewährleisten. Das unstrukturierte und nicht vorhersehbare Terrain, auf dem der Roboter agieren muss, setzt eine hohe Mobilität mit der Fähigkeit voraus, dass das Bewegungssystem unabhängig von der Topologie des Untergrundes genug Vortrieb erzeugen kann.

Abbildung 1.1 - mobiles Robotersystem Moebhiu2s [Labenclnll]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Jedes der vier Module ist mit zwei unabhängig voneinander getrennten Kettenantrieben ausgestatten. Sie erlauben neben dem Vortrieb auch die Steuerung und das Manövrieren des Robotersystems. Um die Fahrtüchtigkeit zu erhöhen, verfügen die ersten drei Module zusätzlich über zwei unabhängige Ketten-Flipper, die aktiv an den Untergrund adaptiert werden können.

Die Segmente sind über aktive Gelenke durch jeweils fünf Freiheitsgrade gekoppelt. Der Aufbau der vier Module ist grundsätzlich ähnlich, jedoch erfüllen die einzelnen Module unterschiedliche zusätzliche Aufgaben. Das erste Modul ist beispielsweise mit einem austauschbaren Kopf ausgestattet, der diverse Sensorik wie Infrarotkamera, Ultraschallsensoren, CO2-Sensoren zur Detektion der Umgebung und die Steuerungseinheit enthält. Da es sich um ein semi-autonomes Bewegungssystem handelt, ist der Kopf zusätzlich mit einer Kamera zur vereinfachten Steuerung durch den Fahrer ausgestattet. Das Heckmodul hingegen nimmt den Akku auf, der einen energieautarken Betrieb des Systems sicherstellt.

Für die Auswahl eines geeigneten Regelverfahrens werden der Aufbau und die Sensorik innerhalb der Module und der aktiven Flipper für die qualitative Messung der Interaktion von Roboter und Umgebung benötigt. Dabei werden zum einen innerhalb der Ketten eines Moduls mechanische Dämpfer integriert, die einen Kontakt mit der Umgebung an einen RFID-Chip melden, der das Signal wiederum an ein RFID Lesemodul überträgt. Der Einsatz der Technologie ist in Abbildung 1.2 links dargestellt.

Zusätzlich zur Kontaktdetektion lässt sich mithilfe von Riementrieben, die unterhalb der Gummiketten passiv rotieren, der Schlupf ermitteln. Dabei werten Inkrementalencoder die Umlaufgeschwindigkeit des Riemens aus und vergleichen diese mit der Umlaufgeschwindigkeit der entsprechenden Gummikette. Für den Fall, dass die Rotationsgeschwindigkeiten von Riemen und Gummikette ungleich sind, tritt Schlupf im System auf.

Neben der RFID-Sensorik zur Kontakterkennung lassen sich Messungen der Kontaktkraft innerhalb des Antriebsstranges der aktiven Flipper realisieren. Der Einsatz von aktiven Flippern innerhalb eines schlangenähnlichen Robotersystems hat verschiedene Vorteile. Besonders in unstrukturiertem Gelände lässt sich das Bewegungsverhalten des Roboters durch eine veränderte Stellung der Flipper so optimieren, dass beispielsweise Hindernisse durch Anheben einzelner Module überwunden werden können und die Geländegängigkeit deutlich gesteigert werden kann. Dazu besitzen die Flipper jeweils zwei Freiheitsgrade. Das rechts in Abbildung 1.2 dargestellte Schaubild zeigt den Antriebsstrang des Flippers. Ein Gummielement fungiert als Torsionsfeder an der Antriebswelle des Flippers. Das Materialverhalten mit seiner Steifigkeit ist hierbei bekannt. Für den Fall einer resultierenden Kontaktkraft, die am Flipper angreift, wird das Gummielement verdreht. Diese Torsion wird dabei von einem Winkelencoder gemessen. Infolgedessen kann mithilfe des Materialverhaltens des Gummielementes und der Torsion die resultierende Kontaktkraft qualitativ bestimmt werden.

1.2. Motivation

Durch den Einsatz der Flipper besteht das Problem, dass das Robotersystem aufgrund der vier Auflagepunkte^[1] pro Modul statisch nicht eindeutig definiert ist. Der Roboter kann als starrer Körper angesehen werden, so dass er nur dann statisch eindeutig bestimmt ist, solange er in genau drei Punkten Kontakt zum Untergrund hat (Abbildung 1.3). Theoretisch lässt sich also ein gleichzeitiger Bodenkontakt von den Modulketten und beiden Flippern nicht realisieren, obwohl diese Konfiguration im Hinblick auf die Bewegungsfähigkeit des Robotersystems durch gleichmäßige Verteilung der Traktion auf die vier Auflagepunkte wünschenswert ist, um das Mobilitätspotential des Moebhiu^[2] s ausschöpfen zu können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.3 - starres Vierbein [GrafenlO]

In der Praxis lassen sich vier Auflagepunkte durch vorliegendes Lager- und Getriebespiel dennoch beobachten. Das Fenster, in denen vier Auflagepunkte realisiert werden können, ist jedoch so klein, dass der Einsatz von künstlichen Elastizitäten sinnvoll ist, um eine schnelle Fortbewegung und eine verbesserte Mobilität durch höhere Traktion zu erzielen.

1.3. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit

Die Arbeit hat darum zum Ziel, Lösungskonzepte zu entwickeln, die durch elastische Komponenten bzw. virtuelle Elastizitäten eine optimierte Lokomotion ermöglichen. Eines der Lösungskonzepte soll im Anschluss ausgearbeitet werden, damit es innerhalb des Robotersystems implementiert und die Ergebnisse qualitativ evaluiert werden können. Abbildung 1.4 zeigt dabei das Vorgehen innerhalb der Arbeit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.4 - Vorgehen innerhalb der Arbeit

In Kapitel 2 wird zunächst auf den Stand der Technik und Forschung mobiler Robotersysteme eingegangen. Dabei werden die historische Entwicklung und eine Klassifizierung heute bekannter und eingesetzter mobiler Roboter genannt und im Hinblick auf ihre jeweiligen regelungsspezifischen Anforderungen untersucht. Es werden grundsätzliche Regelungsmethoden zur Verbesserung einer Lokomotion genannt und kurz vorgestellt.

Kapitel 3 beschäftigt sich explizit mit der Kraftregelung von Robotersystemen. Es werden die Grundlagen zur Kontaktmodellierung beschrieben und die für die Regelung benötigten physikalischen Kennwerte aufgezeigt. Im Anschluss erfolgt die Vorstellung diverser in der Technik und Forschung eingesetzter Kraftregelungsverfahren.

In Kapitel 4 werden die Anforderungen des Robotersystems bzw. im Speziellen die Anforderungen der Flipper an ein Regelungskonzept evaluiert. Anhand der identifizierten Anforderungen sollen die in Kapitel 3 vorgestellten Kraftregelungsverfahren bewertet und ein geeignetes Verfahren zur Implementierung im Robotersystem ausgewählt werden.

Im weiteren Verlauf der Arbeit werden im fünften Kapitel der Reglerentwurf und die Implementierung innerhalb des Antriebsstranges aufgezeigt. Es wird eine geeignete Hardware und Kommunikationsschnittstelle ausgewählt, die eine Minimierung der Latenzzeiten bei der Regelung gewährleistet, um im Anschluss daran den Reglerentwurf an einem Motorprüfstand zu evaluieren. Dabei werden typische Einsatzumgebungen der Flipper im Robotersystem anhand der Simulation von unstrukturierten Geländetopologien am Prüfstand nachgebildet. Über die Simulation der Terraintypen sollen zum einen die Regelparameter der ausgewählten Reglerstruktur definiert werden. Zum anderen sollen die verschiedene Geländetopologien ausgenutzt werden, um die Anpassungsfähigkeit und den Nutzen des Reglers im Hinblick auf die Mobilität des Roboters bewerten zu können.

2. Stand der Technik und Forschung bei mobilen Robotersystemen

Der Begriff Roboter wird heute auch in technisch orientierten Kreisen weit gefasst. So zählen beispielsweise Systeme als Roboter, die etwas in ihrer Umgebung wahrnehmen, diese Informationen verarbeiten und dann entsprechend handeln. Unter dieser weit gefassten Definition lassen sich diverse einfache Systeme, Handhabungsgeräte, mit Sensorik ausgerüstete Baumaschinen und autonome Fahrzeuge einordnen [Weber09].

Um die verschiedenen Roboter klassifizieren zu können, unterteilte die Japanese Industrial Robot Assosciation (JIRA, heute JARA) die Systeme in sechs Kategorien mit aufsteigender Komplexität der benötigten Sensoren und Aktoren [Nehmzow02]:

Kategorie 1:

manueller Manipulator: eine Vorrichtung mit mehreren Freiheitsgraden, die vom Bediener manuell bewegt werden muss;

Kategorie 2:

Roboter mit festem Aktionsablauf: ein Manipulator, der die aufeinanderfolgenden Abschnitte einer Aufgabe nach einer vorbestimmten festen Vorgehensweise erledigt, die schwer modifizierbar ist;

Kategorie 3:

Roboter mit variablem Aktionsablauf: die gleiche Art von Manipulator wie in Kategorie 2, deren Teilaufgaben einfach modifiziert werden können;

Kategorie 4:

Playback-Roboter: der Bediener geht die Aufgabe mit dem Roboter über ein Führen oder Steuern manuell durch. Der Roboter zeichnet die gefahrenen Bewegungen und Bahnen auf und ruft diese Informationen bei Bedarf ab, um die Aufgabe autonom ausführen zu können.

Kategorie 5:

Roboter mit numerischer Steuerung: innerhalb der Robotersteuerung wird ein Computerprogramm für den Bewegungsablauf hinterlegt;

Kategorie 6:

intelligenter Roboter: der Roboter der Kategorie 6 ist in der Lage, seine Umgebung durch Sensoren zu verstehen und kann eine Aufgabe trotz Veränderungen in den Umgebungsbedingungen erfolgreich lösen.

Der Großteil der Roboter, die zurzeit in der Industrie eingesetzt werden, sind Manipulatoren, die nicht mobil sind und an einem festen Arbeitsplatz eingesetzt werden. Mobile Robotersysteme unterscheiden sich grundlegend von Manipulatoren, da sie ihren Standort durch Lokomotion verändern können [Luksch03]. Dazu bedient sich der Roboter Aktoren, die zur Veränderung seiner Position in der Umwelt dienen. Dabei ist die Art des Fortbewegungsmechanismus beliebig. Für den Roboter ergibt sich durch die Mobilität eine offene Umgebung, d.h. der zur Verfügung stehende Aktionsraum ist zunächst einmal nicht beschränkt. Beschränkungen können sich jedoch innerhalb der Umgebung ergeben oder durch begrenzte Energieressourcen des Robotersystems entstehen [Stenzel02].

Neben der Mobilität spielt auch die Autonomie des Robotersystems eine wichtige Rolle. Im Gegensatz zu automatischen Systemen, die in der Lage sind, selbsttätig Aufgaben ohne manuellen Eingriff durchzuführen, sich aber nur begrenzt an verschiedene Umweltbedingungen anpassen und auf dynamische Umgebungen reagieren können, sind autonome mobile Roboter fähig mittels Software und eigener detektierter Daten aus der Umgebung selbstständig zu navigieren und einfache Aufgaben auszuführen [Stenzel02].

Autonomie in der Technik kann hierbei anhand zweier Teildefinitionen ausgedrückt werden [Nehmzow02]:

a) Eine Handlung wird ohne Steuerung von außen durchgeführt.
b) Innerhalb der Handlung existiert Entscheidungsfreiheit.

2.1. Historische Entwicklung mobiler Robotersysteme

2.1.1. Erste Implementationen

Die Geschichte der mobilen Robotik reicht in die frühen 1950er Jahre. William Grey Walter entwickelte zwei mobile Roboter, die Hindernissen ausweichen konnten. Durch die Veränderung der Ladung eines Kondensators, konnte Walter das Verhalten des Roboters maßgeblich beeinflussen [Walter50]. Zusätzlich prägte die Dartmouth College Konferenz 1956 mit der Definition des Begriffes „künstliche Intelligenz“ frühe Pioniere der mobilen Robotik [Nehmzow02].

Mit dem Robotersystem SHAKEY stellte das Stanford Research Institute den ersten mobilen Roboter vor, der sich durch Hindernisausweichen und Objektmanipulation selbstständig innerhalb von Räumen bewegen konnte [Lippold01]. Dieser Roboter verfügte über einen visuellen Entfernungsmesser, binäre Berührungssensoren und eine Kamera. SHAKEY konnte allerdings nur in einer sehr strukturierten Umgebung Objekte erkennen und seine Aktionsstrategien mit dem Resolutions-Theorembeweiser „STRIPS“ ausführen. Die Art der Hindernisse, die SHAKEY detektieren konnte, war auf einfarbige, regelmäßige, quader- und keilförmige Objekte beschränkt [Nehmzow02].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 - SHAKEY des Standford Research Institute [li.:Steinmüller10, re.: Moravec98]

Eines der ersten europäischen Projekte im Bereich der mobilen Robotik war das System HILARE in den späten 1970er Jahren. Der bei LAAS in Toulouse entwickelte Roboter verwendete digitale Bildverarbeitung, Laserentfernungsmesser und Ultraschallsensoren zur Navigation. Hindernisse in der unmittelbaren Umgebung konnte das System mittels seiner Ultraschallsensoren ausfindig machen und umfahren. Die Navigation und Routenplanung wurden durch eine zweidimensionale polygone Raumdarstellung und ein globales Koordinatensystem erreicht. Zur Kommunikation wurde ein Funk-Modem eingesetzt [Borgolte11, Nehmzow02].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2 - Der HILARE Roboter des LAAS [Borgoltell]

2.1.2. Klassifizierung heutiger mobiler Robotersysteme

Durch den stetigen Fortschritt in Wissenschaft und Technik sind die Verfügbarkeit mobiler Robotersysteme und die Anzahl der möglichen Anwendungsgebiete in den letzten Jahrzehnten rapide gestiegen. Um die heute verfügbaren Roboter klassifizieren zu können, lassen sich verschiedene ordnende Kriterien wie beispielsweise die Komplexität der Sensoren und Aktoren, die Art der Bewegung oder die Einsatzgebiete definieren. Die Abbildung 2.3 zeigt die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten eines mobilen Robotersystems.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3 - Einteilung mobiler Roboter in Anlehnung an [Pitschelis]

Typisch für technische Anwendungsgebiete mobiler Roboter ist, dass deterministische^[2] Bewegungen gefordert werden, um einen Verlust des Robotersystems oder Schäden an der Umgebung bzw. dem System durch nicht vorhersagbare Bewegungen zu verhindern. Zusätzlich ist es wichtig, dass die Möglichkeit besteht, den Körper des Roboters so zu positionieren, dass er technische Operationen unterstützen oder autonom durchführen kann [Ihme02].

Es zeigt sich, dass neben diesen spezifischen Anforderungen, die je nach Einsatzgebiet und Aufgabe eines Robotersystems unterschiedlich ausfallen können, auch allgemeine Anforderungen bestehen, die alle mobilen Roboter erfüllen müssen. Hierbei steht insbesondere die Mobilität und Fahrtüchtigkeit der Bewegungssysteme im Fokus. Dabei spielt die Art der Fortbewegung eine unerhebliche Rolle, da die Funktionsfähigkeit und der Nutzen eines mobilen Roboters nur dann maximiert werden kann, wenn die Mobilität und speziell die Traktion erhöht werden kann. Nachfolgend sind drei Fortbewegungsklassen von mobilen Robotern und deren Anforderungen an Steuerungs- und Regelungsstrukturen beschrieben, die die Ausschöpfung ihres Mobilitätspotentials gewährleisten müssen:

Radgetriebene Roboter

Der Einsatz von radgetriebenen Robotern ist besonders auf ebenen Untergründen sinnvoll, in denen Hindernisse und topologische Schwankungen absehbar sind, da sie sich auf ebenem Untergrund schnell fortbewegen können [Thüer09]. Beispielhaft hierfür ist der Einsatz von radgetriebenen mobilen Robotern zur Erkundung von fremden Planeten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4 - Mars Rover „Spirit“ und „Opportunity“ der NASA [NASA]

Sogenannte Rover müssen mit Regelungssystemen ausgestattet sein, die sich auf die von der Erdoberfläche verschiedene Beschaffenheit und Struktur der Planetenoberfläche sowie die abweichende Gravitation einstellen können. Dabei müssen die Regelungssysteme eine autonome Lokomotion realisieren, die eine ausreichende Mobilität auf unbekanntem Terrain sicherstellen kann, um die Gefahr von Schäden oder Verlust des Roboters zu vermeiden [Thüer09, Ihme02].

Kettengetriebene Roboter

Im Vergleich zu radgetriebenen Robotern bieten kettengetriebene Robotersysteme eine bessere Lokomotion in unstrukturiertem Gelände [Spong11]. Je nach Einsatzumgebung müssen Regelungssysteme nicht nur die Mobilität des Roboters erhöhen, sondern auch die Positionsgenauigkeit. Beispielhaft hierfür ist der Einsatz von mobilen Robotern in der Entschärfung von Minen und Bomben. Die Regelungs- und Steuerungsstrukturen müssen so beschaffen sein, dass ein hohes Maß an Positionsgenauigkeit im Entschärfungseinsatz realisiert werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5 "Talon": Bombenentschärfungsroboter des US-Militärs [Spiegel01]

Kinematisch redundante Roboter

Kinematisch redundante Roboter werden häufig in Schadensgebieten nach Erdbeben oder in havarierten Umgebungen, die beispielsweise durch chemische oder radioaktive Substanzen in Kraftwerke oder Anlagen belastet sind, eingesetzt, in denen der Mensch aufgrund der tödlichen Gefahren nicht agieren kann [Todd85]. In diesen Fällen können autonome mobile Roboter mit Handhabungsgeräten oder Manipulatoren ausgestattet werden, die neben der Erkundung und Vermessung der Umgebung Objekte wie z.B. Ventile manipulieren können oder die Vorbereitungen von Wegen für weitere Hilfsgeräte vornehmen [Ihme02].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6 - kinematisch redundanter Schlangenroboter des LMK [LMK01]

Die Einsatzumgebung in Trümmerstrukturen zeichnet sich durch eine stark unstrukturierte und zerklüftete Topologie aus. Die eingesetzten Bewegungssysteme müssen dabei in der Lage sein, sich in diesem Umfeld mit unbekannten Umgebungseinflüssen fortzubewegen. Durch die stark variierende Hindernisstruktur, bei der sowohl enge Spalten als auch große Höhenunterschiede passiert werden müssen, werden kinematisch redundante Robotersysteme gebraucht, die mit ihrer Vielzahl von Freiheitsgraden eine Lokomotion durch das Terrain ermöglichen [Jordan10].

Im Hinblick auf kinematisch redundante Bewegungssysteme spielt die Regelung der Freiheitsgrade eine entscheidende Rolle, da eine effektive Kybernetik der vielen Freiheitsgrade entscheidend für eine Optimierung der Lokomotion des Robotersystems ist.

2.2. Regelung mobiler Robotersysteme

Die Klassifizierung heute eingesetzter mobiler Roboter zeigt, dass die Steuerung bzw. Regelung von Robotersystemen einen hohen Stellenwert für die Gewährleistung der Lokomotion und Ausschöpfung des Mobilitäts- und Einsatzpotentials hat. Dabei wird sichtbar, dass diese Anforderung unabhängig von der Art und Weise der Fortbewegung eines Roboters ist. Allgemein bedarf es dem Entwurf von Regelungen, die das Verhalten des Roboters bei Veränderungen in der Einsatzumgebung oder der Belastungsart beeinflussen.

Um mobile Roboter in Ihrem Umfeld einsetzen zu können, muss eine robuste Regelung^[3] entworfen werden [Oubbati10].

Dabei erfolgt die Überführung des Robotersystems innerhalb einer abstrakten Betrachtungsweise unter regelungstechnischen Gesichtspunkten in ein mathematisches Modell, welches die physikalischen Gesetze abbildet, denen das Robotersystem unterworfen ist. Nach Überführung des physikalischen Kontextes in die mathematische Abbildung erfolgt die Systemanalyse im Hinblick auf das dynamische Verhalten sowie dessen Klassifikation. Aus den hieraus gewonnenen Erkenntnissen lassen sich bewährte Auslegungsverfahren zur Entwicklung eines geschlossenen Regelkreises anwenden. Dabei stehen drei Ziele im besonderen Fokus [Kern09] :

Systemstabilität

Die Forderung nach Stabilität begründet die Basis und ist das Hauptziel der Regelungstechnik [Kern09]. Unter der Systemstabilität versteht man die Eigenschaft eines Systems auf eine definierte Erregung mit einer beschränkten Bewegung zu reagieren. Dabei kann die Erregung einerseits die Auslenkung des Systems aus einer Gleichgewichtslage sein. Für diesen Fall versteht man die Stabilität als Eigenschaft das System aus dem Anfangszustand in eine Gleichgewichtslage zu überführen (Zustandsstabilität). Andererseits kann das System von außen durch eine Eingangsgröße erregt werden. Stabilität bezeichnet in diesem Fall, dass das System eine betragsbeschränkte Ausgangsgröße besitzt (Eingangs-Ausgangs-Stabilität) [Lunze07].

Regelgüte

Im Vordergrund regelungstechnischer Betrachtungen steht die quantitative Erzielung der Systemzustände auf die geforderten Sollwerte. Da ein System Einflüssen, die als Störgrößen bezeichnet werden, unterliegt, wird die Sicherstellung eines gewünschten Systemverhaltens erschwert. Daher muss eine gezielte Regelung erfolgen, die durch ein geeignetes Reglerentwurfsverfahren ausgewählt wird [Kern09].

Dynamik

Neben der Systemstabilität und einer hohen Regelgüte muss eine für das System geeignete Dynamik realisiert werden. Dabei muss zusätzlich zur quantitativen Erzielung der Systemzustände die Qualität im Hinblick auf zeitliche Vorgaben und in Verbindung mit dem benötigten Aufwand sowie der Zulässigkeit beim Wechsel von einem Sollwert auf den nächsten im Fokus der Betrachtung stehen, um die Echtzeitfähigkeit des Systems zu realisieren [Kern09].

Das Erreichen der Zielstellung der drei genannten Eigenschaften einer Regelung stehen in Konflikt zueinander, da einzelne Charakteristiken der genannten Schwerpunkte unterschiedliche Vorgehensweisen erfordern. Innerhalb von Regelungskonzepten werden unterschiedliche Gewichtungen zwischen der Systemstabilität, Regelgüte und Dynamik vorgenommen. Dies hat zur Folge, dass keine optimale, sondern vielmehr eine optimierte Lösung für die regelungstechnische Problemstellung entworfen wird [Lunze07, Kern09].

2.3. Regelungskonzepte

Viele traditionelle Anwendungen von Robotersystemen umfassen kontaktfreie Aufgaben, die nicht von der Umgebung beeinflusst werden. Im Bereich der industriellen Fertigung findet man im Materialtransport oder zum Teil in der Handhabung typische Beispiele hierfür. Die Besonderheit dieser Aufgaben liegt in der natürlichen ungezwungenen Raumbewegung des Roboters. Dabei spielt die eigene Dynamik des Systems die entscheidende Rolle. Im Mittelpunkt stehen deshalb die Regelung einer gewünschten Position, Geschwindigkeit sowie die Orientierung des Robotersystems im Arbeitsraum [Rusin07]. Für diese Anwendungen liegt der Fokus auf der Positionsregelung des mobilen Roboters (s. Kapitel 2.3.1.).

Eine Vielzahl aktueller Projekte und Anwendungen von sowohl stationären als auch mobilen Robotersystemen umfasst kontaktbehaftete Aufgaben, die weitaus komplexer sind als kontaktfreie Aufgaben und einen mechanischen Kontakt des Roboters mit der Umwelt sowie die Gewährleistung einer definierten mechanischen Interaktion zwischen Robotersystem und Umgebung erfordern [Rusin07]. Innerhalb der Regelung dieser kontaktbehafteten Aufgaben ist die Sicherstellung einer definierten Kontaktkraft unabdingbar. Die Regelung dieser Kontaktkraft wird in Kapitel 2.3.2. aufgegriffen und im weiteren Verlauf als Kern der Arbeit ausgeführt.

2.3.1. Roboter-Positionsregelung

Die Positionsregelung mobiler Roboter ist eine Anwendung, die in Abhängigkeit von der Autonomie des Bewegungssystems komplexer wird. Mobile Serviceroboter müssen beispielsweise in der Lage sein, innerhalb ihrer unbekannten Umgebung spurfrei navigieren zu können, um Aufgaben selbstständig ausführen zu können. Für eine weitgehend autonome Navigation werden dabei vier Hauptkomponenten benötigt [Milighetti10]:

Perzeption: Die Perzeption dient zur Wahrnehmung der für das Robotersystem relevanten Informationen aus der Umwelt und Extraktion der zur Regelung benötigten Merkmale.

Lokalisierung: Die Lokalisierung dient zur Bestimmung der aktuellen Roboterposition in der Umgebung.

Planung: Die Planung dient zur Generierung einer optimierten Trajektorie zum Ziel bzw. der Fortbewegung innerhalb der Umgebung.

Bewegungsregelung: Die Bewegungsregelung dient zur Verfolgung der geplanten Trajektorie.

Die schematische Darstellung in Abbildung 2.7 verdeutlicht die Komplexität der Bewegungsregelung eines mobilen Roboters und zeigt, dass es notwendig ist, geeignete Regelungsalgorithmen und Regelungsarchitekturen auszuwählen, mit denen die Regelungskomponenten effizient kombiniert und verwaltet werden können [Milighetti10].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7 - Regelungsschema für mobile Roboter [MilighettilO]

Die Positionsregelung innerhalb der Bewegungsregelung des mobilen Robotersystems hat die Aufgabe, die Bewegung der Roboterachse zu leiten, um die gewünschte Position ohne Überschwingen mit einer hohen stationären und dynamischen Regelungsqualität zu erreichen [Binh93]. Dabei lassen sich zwei grundsätzliche Formen dieser Regelung unterscheiden.

Abbildung 2.8 - Blockschaltbild einer Positionsregehing im Gelenkkoordinatensystein [Binh93]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Abbildung 2.8 werden in der ersten Ausprägung die Sollwerte xsoü(t) im Umweltkoordinatensystem vorgegeben und durch eine Rück-Koordinatentransformation Trp-[1] in den Sollwert qsoll(t) ins Gelenkkoordinatensystem der Antriebsachse transformiert. Diese Sollwerte werden über eine Rückkopplung mit den Istwerten verglichen, um Stellgrößen für die Regelkreise durch den Positionsregler zu definieren. In dieser Form der Positionsregelung werden die Positionswerte qist(t) direkt gemessen und der Regelalgorithmus wird innerhalb des Gelenkkoordinatensystems realisiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.9 - Blockschaltbild einer Positionsregelung im Umweltkoordinatensystem [Binh93]

In Abbildung 2.9 wird die zweite Form der möglichen Positionsregelung ausgeführt. Die Positionsistwerte, die direkt im Roboter gemessen werden, werden durch eine Hin­Koordinatentransformation Trp in das Umweltkoordinatensystem überführt und dort mit den Sollwerten verglichen. Innerhalb des Umweltkoordinatensystems werden die Stellgrößen durch den Regelalgorithmus gebildet und durch die Rück-Koordinatentransformation Trp-[1] zurück in die Eingänge der Regelstrecke transformiert.

2.3.2. Roboter-Kraftregelung

Wie bereits beschrieben, basieren die meisten Regelungen von Robotersystemen auf der Rückführung der aktuellen Gelenkposition. Steht aber beispielsweise eine Achse des mobilen Robotersystems in direktem physischem Kontakt zu ihrer Umgebung, dann ist die Positions- bzw. Lageregelung ungeeignet. Selbst kleine Positionsänderungen können innerhalb einer steifen Umgebung zu unzulässig hohen Kontaktkräften führen [Winkler06]. Für diese Fälle eignet sich der Einsatz von Kraftreglern innerhalb der Regelungsarchitektur eines mobilen Robotersystems. Die Kraftregelung ist im Weiteren in Kapitel 3 als zentrales Thema dieser Arbeit näher erläutert.

2.3.3. Hybride Kraft- und Positionsregelung

Neben der Implementierung einer reinen Kraft- oder Positionsregelung besteht die Möglichkeit eines hybriden Reglerentwurfes. Dieser bietet eine sensorbasierte Kraft-/ und Positionsregelung, die mit zwei voneinander separierten Regelsystemen arbeitet und besonders für den Einsatz bei Manipulatoren geeignet ist. Hierbei lassen sich auch harte unflexible Kontaktoberflächen mit harten Manipulatoren kontaktieren [Dapper03].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.10 - hybride Kraft-/ und Positionsregelung [Finkemeyer04]

Die Abbildung 2.10 zeigt das konzeptionelle Signalflussbild einer hybriden Kraft-/ und Positionsregelung in allgemeiner Form, so dass je nach verwendeter Schnittstelle, Vorsteuerung und abhängig vom gewählten Regelungskoordinatensystem eine entsprechende Transformation an geeigneter Stelle, ähnlich der Blockschaltbilder in der Positionsregelung, vorgenommen werden muss. Die gekennzeichneten Matrizen S stellen die Selektionsmatrizen dar. Eine Selektionsmatrix ist eine mit 0 und 1 besetzte Diagonalmatrix. Dabei ordnet eine 1 dem entsprechenden Freiheitsgrad die Kraftregelung und eine 0 dem definierten Freiheitsgrad die Positionsregelung zu [Finkemeyer04]. Die aus den beiden Regelkreisen generierten Stellgrößen werden durch Summieren wieder zu einem Stellgrößenvektor für alle Freiheitsgrade zusammengefasst und in die Eingänge der Regelstrecke transformiert.

[...]

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^[1] Vier Auflagepunkte aufgrund der zwei Flipper und zwei Gummiketten des Moduls

^[2] deterministisch: es treten nur definierte und reproduzierbare Zustände auf, die auf eine Anweisung im Algorithmus unter gleichen Anweisungen gleiche Ereignisse auslösen

^[3] fester Regler, bei dem in Entwurf und Parameter-Auslegung besonderer Wert darauf gelegt wird, dass er trotz Abweichung des Streckenverhaltens von einem Nominalverhalten gewünschte Eigenschaften annimmt [Föllinger94]