Sensorbasierte, echtzeitfähige Online-Bahnplanung für die Mensch-Roboter-Koexistenz

Abstract

Die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ist ein wichtiges Ziel der aktuellen Forschung in der Robotik, um die spezifischen Fahigkeiten von Mensch und Roboter zu verbinden. Die Voraussetzung fur die Zusammenarbeit ist die sichere und effiziente Koexistenz in einem gemeinsamen Arbeitsraum. Hierzu muss die Sicherheit des Menschen gewahrleistet sein und eine hohe Verfugbarkeit des Robotersystems erreicht werden. In dieser Arbeit wird ein bildbasierter Kollisionstest beziehungsweise eine Distanzberechnung entwickelt, um die Sicherheit des Menschen zu realisieren. Eine hohe Verfugbarkeit wird durch die Konzeption und Implementierung einer Bahnplanung erreicht, welche echtzeitfahig mit Ausweichbewegungen auf dynamische Hindernisse wie z.B. den Menschen reagiert, um gegenseitige Blockaden zu vermeiden. Die Detektion des Menschen und anderer Objekte wird mit Hilfe eines Netzwerks stationarer Kameras erreicht, deren Befestigung den Einsatz effizienter Differenzbildverfahren („Change Detection“) ermoglicht und uber die Kalibrierung der Kameras die Verwendung von Modellen bekannter Objekte (Roboter und Zellenaufbauten) erlaubt. Hierdurch werden Verdeckungen unbekannter Objekte (z.B. der Mensch) in einem bildbasierten Kollisionstestverfahren korrekt berucksichtigt. Weiterhin werden Konzepte zum Umgang mit dynamischen Hintergrunden in realistischen Arbeitszellen erarbeitet. Die zusatzlich realisierte bildbasierte Distanzberechnung ermoglicht die Geschwindigkeits-regelung des Roboterarms fur die sichere und ergonomische Mensch-Roboter-Koexistenz. Auch hierbei wird eine korrekte Behandlung der verdeckenden Geometrien berucksichtigt. Die Bahnplanung wird in jedem Zyklus des Systems (100 ms) auf Basis aktueller Sensordaten (im bildbasierten Kollisionstest) durchgefuhrt, parallel zur Ausfuhrung der jeweils im vorigen Zyklus berechneten Bahn. Das entwickelte Konzept verbindet dabei eine globale Bahnplanung auf randomisierten Netzen in hochdimensionalen Konfigurations-raumen mit der Begrenzung von teuren Kollisionstests bzw. Distanzberechnungen. Informationen uber die nicht berechneten Teile des Graphen werden durch Schatzung aus bekannten Informationen erzeugt. Zusatzlich werden bereits berechnete Informationen uber die Umwelt durch Speicherung im Graph uber Systemzyklen hinweg beibehalten und somit sukzessive ausgeweitet. Ein Konzept wurde entwickelt und implementiert, um die persistenten Informationen bei detektierter Arbeitsraumdynamik zu adaptieren, wodurch flexibel auf Umweltveranderungen reagiert werden kann. Dieses grundlegende Rahmenwerk erzeugt einen Planer, welcher echtzeitfahig ist und somit auf dynamische Objekte reagieren kann und uber Systemzyklen hinweg statistische Vollstandigkeit in statischen Umgebungen erreicht. Mit Hilfe des bildbasierten Kollisionstests wird dann ein wegoptimierender Planer realisiert und mit Hilfe der bildbasierten Distanzberechnung ein zeitoptimierender Planer, welcher die Ausfuhrungsdauer der Bewegung unter Masgabe der distanzbasierten Geschwindigkeitsregelung optimiert. Letzterer ist fur die…