Online Verfahren zur Bahnplanung kinematisch redundanter Manipulatoren

Abstract

In this article a method for online kinematic path planning of kinematically redundant manipulators is presented. Efficiency is acchieved by mapping the manipulator path planning problem to a path planning problem of the endeffector which has a smaller number of degrees of freedom. The method is based on an optimal solution procedure of the problem of Inverse Kinematics. With that feasible manipulator joint positions are generated in real-time while the actual endeffector goal, i.e. the path, is commanded online. This can efficiently be handled by the concept of ‘Affine Manipulability’. The joint position path is feasible with regard to technical constraints like collision avoidance, joint limitations, and maximum joint velocities. Kinematic redundancy is resolved by means of an iterative optimization method, which is based on minimizing special costs like minimum energy and maximum manipulability. The validity of the presented method is verified by a kinematically redundant robot with ten degrees of freedom. In diesem Beitrag wird ein Verfahren zur online kinematischen Bahnplanung kinematisch redundanter Manipulatoren behandelt. Effizienz wird erreicht, indem das gesamte Manipulator-Bahnplanungsproblem auf ein niedrig dimensioniertes Bahnplanungsproblem des Endeffektors, das höchstens sechs Freiheitsgrade hat, zurückgeführt wird. — Kern des Verfahrens ist eine Berechnungsvorschrift zur optimalen Lösung des Problems einer Rückwärtskinematik. Damit werden zulässige Gelenkpositionen erzeugt und als kinematische Steuerung on-line der Gelenkregelung zugeführt. Ein solchermaßen berechneter Gelenkpositionssatz genügt allen kinematischen Beschränkungen durch physikalische Gelenkanschläge und vermeidet automatisch Kollisionen des Manipulators mit Arbeitsraumhindernissen. Ist eine interaktive Bahnvorgabe aufgrund der technischen Beschränkungen nicht realisierbar, so wird über das Konzept der ‘affinen Manipulierbarkeit’ autonom eine ‘formtreue’ Ersatzvorgabe generiert, die zulässig, d. h. realisierbar, ist. Zusätzlich nutzt der Algorithmus eine vorhandene kinematische Redundanz aus, um energetisch-gleichmäßig auf die Gelenke verteilte Bewegungen zu generieren. Die Auflösung der kinematischen Redundanz wird durch iterative Optimierung glatter Gütekriterien erreicht. Als Optimierungsmethode wird ein spezialisiertes SQP (Sequential Quadratic Programming)-Verfahren verwendet. Die operationelle Einsatzfähigkeit der Bahnplanungsmethode wurde an einem kinematisch redundanten Manipulator mit zehn Freiheitsgraden validiert.