Efficient motion planning and control for robotic systems in dynamic situations

• Recheneffiziente Bewegungsplanung und -regelung für Robotern in dynamischen Situationen

Shahidi, Seyed Amirreza; Corves, Burkhard (Thesis advisor); Vidoni, Renato (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Die Kooperation mehrerer mobiler und stationärer Roboter im Konsens gilt als einer der wichtigsten Enabler für effiziente, agile, und frei vernetzte Montagesysteme. In diesem Sinne erfordert die dynamische Umgestaltung von Produktionslinien besondere Modellierungs- und Steuerungsstrategien für Robotermanipulatoren, um sie mit zuverlässigen und durchführbaren Bewegungen auszustatten, die effizient optimal sind. Daher sollten die wesentlichen Unterschiede zwischen den Modellen der Systeme bei der Planung ihrer Bewegungen individuell berücksichtigt werden. Gleichzeitig sollte die Modellierung des Systems den Regelungssystemen einen intuitiven und eindeutigen Rahmen bieten, um die Systeme optimal durch die geplante Bewegung zu führen. In der vorliegenden Arbeit werden optimale Modellierungsstrategien für Mehrkörpersysteme mit Baumtopologie, von denen Robotermanipulatoren mit offener Kette als eine Unterkategorie betrachtet werden können, diskutiert und entwickelt. Die Optimalität einer Modellierungsstrategie wird als Recheneffizienz, singularitätsfreie Darstellung, und Kompaktheit verstanden. Zu diesem Zweck wird eine einheitsdualquaternionsche Darstellung der Systemkonfiguration präsentiert und eingehend diskutiert. Auf der Grundlage dieser Darstellung werden die Geometrie, Kinetostatik, und Dynamik der Mehrkörpersysteme mit Baumtopologie entwickelt. Um die Modellierung zu erleichtern und eine intuitive Formulierung zu erreichen, wird der geometrische Rahmen der Schraubentheorie auf der analytischen Grundlage der Lie-Theorie diskutiert. Diese Grundlage dient zur Modellierung von Regelungsstrategien, die die Prämissen einer zuverlässigen und effizienten Positionsregelung erfüllen. Um eine effiziente Bewegungsplanung für Robotermanipulatoren zu ermöglichen, werden die wesentlichen Unterschiede zwischen den Kardinalitäten ihrer Konfigurationsmannigfaltigkeiten und ihrem Aufgabenraum berücksichtigt, was zur Konstruktion einer Datenstruktur in Form eines Graphen führt, der als Kinematic Graph bezeichnet wird. Mit Hilfe dieses Graphen ist es möglich, die bestehenden Bewegungsplanungsalgorithmen, wie z.B. den auf Sampling-basierenden Planungsalgorithmus, in der Fallstudie für Robotermanipulatoren mit offenen Ketten effizient anzuwenden. Diese Algorithmen wurden ursprünglich für Probleme niedriger Dimensionen entwickelt und sind im Allgemeinen nicht für die Fallstudie von Robotermanipulatoren geeignet. Solche Algorithmen ermöglichen die Anwendung von Planungsstrategien mit theoretischen Optimalitätsgarantien in der Planung. Dies führt zur Planung einer effizient optimalen Bewegung für Robotermanipulatoren mit offener Kette und entkoppelter Geometrie, wobei die Planung für die regionalen und die lokalen Strukturen in Verbindung miteinander durchzuführen ist. Es existieren bereits Entwicklungen für solche Algorithmen zur Lösung von Problemen, bei denen sich die Bedingungen ändern können. Durch die ermöglichte Anwendung dieser Algorithmen auf Robotermanipulatoren ist es möglich, die Bewegung für solche Systeme in dynamischen Situationen zu planen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik [411910]