On-Line Trajectory Generation in Robotic Systems – Reflexe für Roboter

Dr. Thorsten Kröger

Sensorintegration in die Regelkreise von Robotersteuerungen gehört – ohne Zweifel – zu den Schlüsseln um Robotern die Fähigkeit zu geben, nützliche Aufgaben in menschlichen Umgebungen zu erledigen. Diese Dissertationsschrift betrachtet Steuerungen mechanischer Systeme, die mit mehreren Sensoren ausgestattet sind, die jeweils digitale und/oder analoge Sensorsignale liefern. Es ist keine Frage, dass die Integration von Sensoren und die Sensor-basierte Steuerung und Regelung entscheidend zur Weiterentwicklung von Robotersystemen beiträgt. Obwohl bereits zahlreiche Konzepte zu dieser Thematik bekannt sind, gibt es eine wichtige Frage, die bisher unbeantwortet blieb: Nehmen wir an, ein Roboter sei in einem beliebigen Bewegungszustand, wie können wir nun eine Trajektorie berechnen und unmittelbar auf unvorhersehbare Sensorereignisse reagieren?

Der Kern dieser Arbeit besteht aus der Herleitung einer Klasse von Algorithmen, die Trajektorien für Roboter während der Laufzeit berechnet, also innerhalb eines Regeltaktes (typischer Weise innerhalb einer Millisekunde oder weniger). Ein solcher Algorithmus wird parallel zu den Algorithmen der Antriebsregler ausgeführt, damit Steuerungs- und Regelungssysteme für Roboter unmittelbar auf unvorhergesehene (Sensor-)Ereignisse reagieren können. Der Algorithmus ermöglicht das Umschalten von sensorgeführten Bewegungen (z.B. Kraft- oder Kamera-geführt) auf Bahnfolgebewegungen und umgekehrt, wobei der Algorithmus als Führungsgrößengenerator und Schnittstelle zwischen den Antriebsreglern und der (Sensor-basierten) Bewegungsplanung arbeitet. Somit ermöglicht er die Ausführung einer Art von Roboterreflexen.

Im ersten Schritt wird der Algorithmus für Systeme mit nur einem Freiheitsgrad hergeleitet; anschließend erfolgt die Erweiterung auf mehrere Freiheitsgrade. Die resultierenden Bewegungen sind zeitoptimal und für alle Freiheitsgrade synchronisiert, sodass alle Freiheitsgrade genau gleichzeitig ihr Ziel erreichen.

Die Verwendung dieses neuen Steuerungsalgorithmus’ in einem hybriden, schaltenden Regelungssystem vereinfacht die Ausführung von Sensor-geführten sowie Sensor-überwachten Bewegungen. Dadurch, dass der Algorithmus für jeden beliebigen Bewegungszustand Führungsgrößen generieren kann, ist es möglich, stetige Roboterbewegungen zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten – auch dann, wenn Sensoren ausfallen. Ein weiterer Vorteil ist die Ermöglichung von (Sensor-basierten) Umschaltungen zwischen verschiedenen Bezugssystemen und/oder Zustandsräumen.

Das vorgeschlagene Verfahren ist von sehr grundlegender Natur und lässt sich für verschiedene Gebiete der Robotik einsetzen, in denen die Integration von Sensoren eine wichtige Rolle spielt. Dies sind zum Beispiel die Gebiete der Servicerobotik, der industriellen Manipulation, der mobilen Robotik und Manipulation und der Medizinrobotik. Sämtliche Teile dieser im Springerverlag erschienen Arbeit werden durch zahlreiche Beispiele und Anwendungsfälle begleitet. Durch selbige soll ein gut verständlicher Einblick in dieses interessante und relevante Gebiet der Robotik ermöglicht werden.

Dr. Torsten Krögerstudierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig und promovierte 2009 an der Carl-Friedrich-Gauß-Fakultät. Seit März 2010 ist er als Wissenschaftler an der Stanford University in den USA tätig. Zudem ist er Gründer und Geschäftsführer der Reflexxes GmbH, einem Spin-off-Unternehmen des Instituts für Robotik und Prozessinformatik der TU Braunschweig.