21.08.2019

Winkelmesssysteme zur Überwachung von Robotergelenken

Im Gleichgewicht

Mittels magnetischer Messsysteme werden humanoiden Zweibeinrobotern Gleichgewicht verliehen und gleichzeitig Designvorgaben wie Raumbedarf, Genauigkeit und Geschwindigkeit erfüllt.


Für die Servosteuerung jedes Robotergelenks muss ein Messsystem Positionsrückmeldungen hoher Datenqualität liefern.
Bild: Renishaw GmbH

Die humanoiden Zweibeinroboter Reem-C von PAL Robotics sind Teil einer Baureihe von Robotern, die für vielfältige Anwendungen eingesetzt werden. Sie bieten eine Plattform, die sich komplett an Forschungsgebiete wie Navigation, maschinelles Sehen, Mensch-Roboter-Interaktion, KI, Greifen, Gehen und Spracherkennung anpassen lässt. Viele der Roboter sind menschengroß und bieten bis zu 40 Freiheitsgrade. Laut Luca Marchionni, leitender Technologieverantwortlicher bei PAL Robotics, ist es eine der schwierigsten Herausforderungen, das diese humanoiden Zweibeinroboter ihr Gleichgewicht beim Gehen behalten, etwas, was für uns Menschen eine Selbstverständlichkeit ist. Gehen bedeutet die gleichzeitige Erzeugung und Ausführung von Bewegungsbahnen in vielen Freiheitsgraden, während die Füße mit der Umgebung interagieren. Das Steuerungssystem eines Zweibeinroboters muss allerdings die Übergänge zwischen zwei Phasen bewältigen: den doppelten Stützpunkt, mit beiden Füßen auf dem Boden, und den einzelnen Stützpunkt, wenn ein Fuß auf dem Boden gesetzt wird. Die Entwicklung von Regeln zur Steuerung dieser Vorgänge ist aufgrund der mit der Roboterdynamik verbundenen Nichtlinearitäten schwierig. Häufig stoßen dort die analytischen Möglichkeiten an ihre Grenzen und die Problematik ist zu komplex, um durch ein reines Trial&Error-Verfahren gelöst zu werden. Stattdessen kommt ein numerischer Ansatz, die sogenannte Trajektorienoptimierung, zur Anwendung. Dabei wird eine ideale Bahn für die Roboterbewegung vorgegeben und die bestmögliche Annäherung an diesen Bewegungsablauf mithilfe des numerischen Verfahrens berechnet. Das Kriterium ´bestmöglich´ wird anhand einer speziell ausgewählten Leistungsfunktion ermittelt, die sowohl die ideale Bahn als auch die physischen Begrenzungen des Roboters berücksichtigt. Für die Entwicklung der Gelenke von humanoiden Robotern existieren strenge Raum- und Gewichtsvorgaben, um Robotervolumen und Trägheit so gering wie möglich zu halten.

Messsysteme für Robotergelenke

Der Reem-C und weitere humanoide Roboter haben voll bewegliche Gelenke, die je nach Aufgabe unterschiedliche, komplizierte Bewegungen ausführen können. Für die Servosteuerung jedes Gelenks, d.h. im Hinblick auf Drehmoment, Geschwindigkeit und Position, muss ein Messsystem Positionsrückmeldungen hoher Datenqualität liefern. Renishaw hat PAL Robotics bei der Auswahl des richtigen Positionsmesssystems für jeden Einsatzzweck beraten. Die Wahl fiel auf die berührungslosen, magnetischen Messsysteme von Renishaws Partnerfirma RLS. Dazu gehörten unter anderem die Winkelmesssysteme AksIM und Orbis, die in Knie-, Hand- und Ellbogengelenke integriert wurden, und das inkrementelle Komponenten-Messsystem RoLin. Zur Steuerung des Gleichgewichts wurde in jedem Roboterfuß ein Kraftrückkopplungssystem eingebaut. Damit wird der Nullmomentpunkt (Zero-Momentum Point, ZMP) berechnet, eine Kennzahl, die verwendet werden kann, um die Stabilität von Robotern zu ermitteln. Der gemessene ZMP wird dann in einen Fuzzylogik PD-Regler eingespeist, um den benötigen ZMP zu verfolgen, sowie das Gleichgewicht und eine Störunterdrückung zu erzielen. Ziel des Reglers ist, dass Massezentrum des Roboters so zu korrigieren, dass der ZMP immer innerhalb des Fußstützpunkts (unter den Füßen) gehalten wird. Ein erfolgreicher Robotergang erfordert im Hinblick auf die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Kniegelenkwinkel eine präzise Steuerung, die sich an den Rückmeldungen des Winkelmesssystems orientiert.

Stabile Laufbewegungen

Die Gleichgewichtssteuerung ist entscheidend für die stabile Fortbewegung auf zwei Beinen. Die vom Drehgeber System ausgegebenen Daten ermöglichen die Bestimmung der Roboterposition und die Erstellung von Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsreferenzen, denen jedes Gelenk folgen sollte. Magnetische Drehgeber-Systeme bieten PAL Robotics eine flexible Lösung zur Positionsbestimmung und erfüllen strengste Vorgaben in Hinblick auf Raumbedarf und Leistungsvermögen. Die ausgewählten Messsysteme haben ein großes Leistungsspektrum und bieten erhebliche Designfreiheit. Die Gleichgewichtssteuerung erfolgt durch die Kontrolle des direkt auf jedes Gelenk wirkenden Drehmoments. Dadurch wird jedes Roboterglied korrekt für eine stabile Laufbewegung positioniert. Eine hohe Gebergenauigkeit stellt sicher, dass Fehler im Steuersignal minimiert werden. Die Steuerung kann die Roboterpositionen somit schnell korrigieren, damit der ZMP immer innerhalb des Fußstützpunkts bleibt.

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