Wolfgang Wiedmeyer
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung echtzeitfähiger Lösungen für Probleme der Online-Roboterbewegungsplanung. Der Aufbau eines neuartigen Labors zur Anwendung dieser Algorithmen ist ebenfalls ein Bestandteil dieser Arbeit. Die Online-Bewegungsplanung ermöglicht es Robotern, prompt auf unerwartete Ereignisse zu reagieren und ihre Bewegungen während der Laufzeit anzupassen. Bei der echtzeitfähigen Bewegungsplanung werden zusätzliche Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit berücksichtigt, indem sichergestellt wird, dass Bewegungen deterministisch innerhalb klar definierter zeitlicher Grenzen und ohne unerwartete Fehler geplant werden. Zielposen oder vollständige Pfade, die der Endeffektor des Manipulators erreichen oder abfahren soll, werden mithilfe einer Inversen Kinematik (IK) in die erforderlichen Gelenkwinkel umgerechnet. Eine Zielpose für einen Roboterarm im kartesischen Raum wird üblicherweise durch sechs Parameter zur Darstellung von Position und Orientierung definiert, was das IK-Problem für anthropomorphe Manipulatoren mit sieben Freiheitsgraden unterbestimmt macht und eine Redundanzauflösung erfordert, um eine eindeutige Lösung zu finden. Der erste Beitrag dieser Arbeit ist ein echtzeitfähiges Redundanzauflösungsschema für solche Manipulatoren. Es wird eine Optimierungslösung in geschlossener Form entwickelt, die mehrere Ziele berücksichtigen kann: die Maximierung des Abstands zu den Gelenkgrenzen bei gleichzeitiger Minimierung der Gelenkgeschwindigkeiten und -beschleunigungen. Dies ermöglicht es, einem vorgegebenen kartesischen Pfad effizient und weniger ruckartig zu folgen und die erforderlichen Bewegungszeiten zu reduzieren. Ein vorgegebener Pfad, bestehend aus Wegpunkten im Gelenkraum, z.B. berechnet durch einen IK- und/oder Pfadplanungsalgorithmus, erfordert die Ergänzung um ein zeitoptimales Geschwindigkeitsprofil oder eine Pfadparameterisierung. Diese berechneten Trajektorien können dann von einem Gelenkregler ausgeführt werden, um dem Pfad genau und so schnell wie möglich zu folgen. Der zweite Beitrag ist die Entwicklung eines solchen Online-Trajektoriengenerierungsalgorithmus für Pfade, passend für Echtzeitanwendungen und redundante Manipulatoren. Geeignete Teile von Zeitparameterisierungsmethoden, die ursprünglich für die Offline-Planung entwickelt wurden, wurden übernommen, kombiniert und erweitert, um eine schnelle Lösung zu bieten, die die vorgegebenen Grenzen für Gelenkgeschwindigkeiten und -beschleunigungen einhält und vorhersehbare Berechnungszeiten aufweist. Der dritte Beitrag ist ein aus der Ferne zugängliches Labor, das mit mehreren industriellen Manipulatoren ausgestattet ist und der Öffentlichkeit über das Internet zugänglich ist. Benutzer können die Roboter über eine Webschnittstelle programmieren oder Anwendungen hochladen. Das Labor wird von einer sicheren und automatisierten Ausführungspipeline für eingereichten Quellcode betrieben, die darauf abzielt, eine hohe Auslastung der Roboter zu erreichen, bei gleichzeitig geringem manuellem Überwachungsaufwand. Einsendungen werden zunächst in einer Simulationsumgebung evaluiert, die die reale Roboterzelle abbildet, und anschließend von einem verfügbaren Roboter im Labor ausgeführt. Da die Ansätze generell auf die Online- und Echtzeitbewegungsplanung für serielle Manipulatoren anwendbar sind, werden die ersten beiden Beiträge separat umfassend evaluiert, dienen jedoch auch als wichtige Bausteine des Bewegungsplanungsframeworks in diesem Fernlabor. Die Bewegungseingaben aus dem eingereichten Quellcode müssen während der Bewegungserzeugung validiert werden, um die Sicherheit der Roboter zu gewährleisten. Es wird auch über die Nutzung des Labors durch verschiedene Zielgruppen berichtet. Alle implementierten Beiträge dieser Arbeit stehen als freie und Open-Source-Software zur Verfügung.