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.