Zusammenfassung
Kollaborative Roboter halten immer mehr Einzug in der Industrie und enge Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter wird eine zunehmend wichtige Komponente von modernen Produktionsprozessen. Pfadfolgeregelungskonzepte schränken die Roboterbewegung auf einen geometrischen Pfad im Raum ein und stellen damit einen systematischen Ansatz für die Entwicklung sicherer Mensch-Roboter-Interaktionen dar.
In dieser Arbeit werden vier Konzepte vorgestellt, welche die Bewegung entlang des Pfades an Systemgrößen bzw. exogene Einflüsse koppeln: autonomer Modus, kollaborativer Modus, kooperativer Modus und Gestensteuerung. Weiters werden die Reglerparameter an den Pfadfortschritt geknüpft, wordurch das Impedanzverhalten des Roboters entlang des Pfades variiert werden kann. Die Konzepte werden an einem Assemblierungsszenario mit dem Leichtbauroboter Kuka LBR iiwa 14 R820 demonstriert.
Abstract
Collaborative robots are becoming increasingly popular in industry, and collaboration between humans and robots constitutes an important component of modern production systems. Path following control restricts the robot motion to a geometric path in the Cartesian space and thus provides a systematic approach to the design of safe physical human-robot-interaction concepts.
In this work, four concepts are presented which link the movement along the path to system states or exogenous inputs: autonomous mode, collaborative mode, cooperative mode and gesture control. Furthermore, the controller parameters are linked to the path progress such that the impedance behavior of the robot varies along the path. The presented concepts are demonstrated in an interactive assembly scenario with the light-weight robot Kuka LBR iiwa 14 R820.
Über die Autoren
Christian Hartl-Nesic ist Doktorand am Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik (ACIN) an der TU Wien. Seine aktuellen Forschungsgebiete umfassen Regelungs- und Bedienkonzepte für vielseitige industrielle Anwendungen in der Robotik sowie die Mensch-Roboter-Interaktion.
Bernhard Bischof ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am AIT Austrian Institute of Technology, Center for Vision, Automation & Control. Die Forschungsgebiete umfassen die physikalisch basierte Modellierung und nichtlineare Regelung von mechatronischen Systemen mit vielfältigen Anwendungen in der industriellen Robotik und Antriebstechnik.
Tobias Glück ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am AIT Austrian Institute of Technology, Center for Vision, Automation & Control. Seine Hauptinteressen liegen im Bereich der Modellierung, Identifikation, Regelung und Optimierung technischer Systeme.
Andreas Kugi ist Vorstand des Instituts für Automatisierungs- und Regelungstechnik (ACIN) an der TU Wien sowie Leiter des Centers for Vision, Automation & Control am Austrian Institute of Technology (AIT). Seine Hauptinteressen in Forschung und Lehre liegen im Bereich der Modellierung, Regelung und Optimierung komplexer dynamischer Systeme, des mechatronischen Systementwurfes sowie in der Robotik und Prozessautomatisierung. Er ist an einer Vielzahl von Industrieprojekten beteiligt, u. a. leitet er das Christian Doppler Labor für Modellbasierte Prozessregelung in der Stahlindustrie. Prof. Kugi ist wirkliches Mitglied der österreichischen Akademie der Wissenschaften und Mitglied der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech).
Anhang
Beweis von Lemma 1.
Durch die Diagonalmatrizen
Wie in [15] gezeigt, sind diese Systeme gleichmäßig asymptoptisch stabil unter den Bedingungen
nach oben abgeschätzt. Mit der kleinstmöglichen Änderungsrate von
abgeschätzt, womit sich die rechte Ungleichung von (36b) ergibt und die gleichmäßige asymptotische Stabilität gezeigt ist. Schließlich folgt mit [26, Theorem 6.13] aus der gleichmäßigen asymptotischen Stabilität von (34) die gleichmäßige exponentielle Stabilität. □
Literatur
1. B. Bischof, T. Glück and A. Kugi, “Combined Path Following and Compliance Control for Fully Actuated Rigid Body Systems in 3-D Space”. In: IEEE Transactions on Control Systems Technology 25.5 (2016), S. 1750–1760.10.1109/TCST.2016.2630599Search in Google Scholar
2. B. Bischof et al. “A Path/Surface Following Control Approach to Generate Virtual Fixtures”. In: IEEE Transactions on Robotics 34.6 (2018), S. 1577–1592.10.1109/TRO.2018.2861913Search in Google Scholar
3. B. Bischof et al. “Path Following Control for Elastic Joint Robots”. In: IFAC-PapersOnLine 50.1 (2017), S. 4806–4811.10.1016/j.ifacol.2017.08.965Search in Google Scholar
4. R. L. Bishop, “There is More than One Way to Frame a Curve”. In: The American Mathematical Monthly 82.3 (1975), S. 246–251.10.1080/00029890.1975.11993807Search in Google Scholar
5. L. Consolini et al. “Path following for the PVTOL aircraft”. In: Automatica 46.8 (2010), S. 1284–1296.10.1016/j.automatica.2010.05.014Search in Google Scholar
6. A. De Luca and W. J. Book, “Robots with Flexible Elements”. In: Springer Handbook of Robotics. Berlin Heidelberg: Springer, 2016, S. 287–319.Search in Google Scholar
7. A. De Luca and F. Flacco, “Integrated control for pHRI: Collision avoidance, detection, reaction and collaboration”. In: Proceedings of the 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). Rom, Italien, 2012, S. 288–295.Search in Google Scholar
8. A. De Luca et al. “Collision Detection and Safe Reaction with the DLR-III Lightweight Manipulator Arm”. In: Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Peking, China, 2006, S. 1623–1630.10.1109/IROS.2006.282053Search in Google Scholar
9. M. P. Do Carmo, Differential Geometry of Curves and Surfaces: Revised and Updated Second Edition. Mineola, New York: Courier Dover Publications, 2016.Search in Google Scholar
10. T. Faulwasser et al. “Implementation of Nonlinear Model Predictive Path-Following Control for an Industrial Robot”. In: IEEE Transactions on Control Systems Technology 25.4 (2016), S. 1505–1511.10.1109/TCST.2016.2601624Search in Google Scholar
11. S. Flixeder, Force-Based Cooperative Manipulation of Highly Deformable Materials, In: Modellierung und Regelung komplexer dynamischer Systeme. Hrsg. von A. Kugi and K. Schlacher. Bd. 36. Aachen, Deutschland: Shaker, 2017.Search in Google Scholar
12. R. J. Gill et al. “Spline Path Following for Redundant Mechanical Systems”. In: IEEE Transactions on Robotics 31.6 (2015), S. 1378–1392.10.1109/TRO.2015.2489502Search in Google Scholar
13. S. Haddadin et al. “Collision detection and reaction: A contribution to safe physical human-robot interaction”. In: Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Nizza, Frankreich, 2008, S. 3356–3363.Search in Google Scholar
14. S. Haddadin et al. “Konzepte für den Roboterassistenten der Zukunft”. In: at – Automatisierungstechnik 58.12 (2010), S. 695–708.10.1524/auto.2010.0888Search in Google Scholar
15. A. O. Ignatyev, “Stability of a Linear Oscillator with Variable Parameters”. In: Electronic Journal of Differential Equations 1997.17 (1997), S. 1–6.Search in Google Scholar
16. A. J. Ijspeert, J. Nakanishi and S. Schaal, “Movement Imitation with Nonlinear Dynamical Systems in Humanoid Robots”. In: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. Bd. 2. Washington, DC, USA, 2002, S. 1398–1403.Search in Google Scholar
17. A. J. Ijspeert et al. “Dynamical Movement Primitives: Learning Attractor Models for Motor Behaviors”. In: Neural Computation 25.2 (2013), S. 328–373.10.1162/NECO_a_00393Search in Google Scholar PubMed
18. M. Karlsson, et al. “Two-Degree-of-Freedom Control for Trajectory Tracking and Perturbation Recovery during Execution of Dynamical Movement Primitives”. In: IFAC-PapersOnLine 50.1 (2017), S. 1923–1930.10.1016/j.ifacol.2017.08.383Search in Google Scholar
19. M. Khoramshahi and A. Billard, “A dynamical system approach to task-adaptation in physical human–robot interaction”. In: Autonomous Robots 43.4 (2019), S. 927–946.10.1007/s10514-018-9764-zSearch in Google Scholar
20. M.-J. Kim, M.-S. Kim and S. Y. Shin, “A General Construction Scheme for Unit Quaternion Curves with Simple High Order Derivatives”. In: Proceedings of SIGGRAPH. Los Angeles, CA, USA, 1995, S. 369–376.10.1145/218380.218486Search in Google Scholar
21. M. A. Krasnosel’skii and A. V. Pokrovskii, Systems with Hysteresis. Berlin Heidelberg: Springer, 1989.10.1007/978-3-642-61302-9Search in Google Scholar
22. C. Nielsen, C. Fulford and M. Maggiore, “Path Following Using Transverse Feedback Linearization: Application to a Maglev Positioning System”. In: Proceedings of the American Control Conference. St. Louis, MO, USA, 2009, S. 3045–3050.Search in Google Scholar
23. C. Ott, Cartesian Impedance Control of Redundant and Flexible-Joint Robots. Berlin Heidelberg: Springer, 2008.Search in Google Scholar
24. S. Parusel, S. Haddadin and A. Albu-Schäffer, “Modular state-based behavior control for safe human-robot interaction: A lightweight control architecture for a lightweight robot”. In: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. Shanghai, China, 2011, S. 4298–4305.Search in Google Scholar
25. L. Piegl and W. Tiller, The NURBS book, 2. Aufl. Berlin Heidelberg: Springer, 1997.10.1007/978-3-642-59223-2Search in Google Scholar
26. W. J. Rugh, Linear System Theory. 2. Aufl. Upper Saddle River, New Jersy: Prentice Hall, 1996.Search in Google Scholar
27. B. Siciliano et al. Robotics: Modelling, Planning and Control. London, UK: Springer, 2010.Search in Google Scholar
28. M. W. Spong, “Modeling and Control of Elastic Joint Robots”. In: Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control 109.4 (1987), S. 310–318.10.1115/1.3143860Search in Google Scholar
29. L. Le-Tien et al. “Entkopplungsregelung und Reibungskompensation für einen Roboter mit elastischen verkoppelten Gelenken”. In: at – Automatisierungstechnik 58.9 (2010), S. 499–511.10.1524/auto.2010.0866Search in Google Scholar
30. H. Urbanek, A. Albu-Schäffer and P. van der Smagt, “Learning from Demonstration: Repetitive Movements for Autonomous Service Robotics”. In: Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Bd. 4. Sendai, Japan, 2004, S. 3495–3500.Search in Google Scholar
31. X. Xiang et al. “Synchronized path following control of multiple homogenous underactuated AUVs”. In: Journal of Systems Science and Complexity 25.1 (2012), S. 71–89.10.1007/s11424-012-0109-2Search in Google Scholar
© 2020 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston
