Teilautonome mobile Roboter zur Fernwartung prozesstechnischer Anlagen

Bereits 2006 wurde am Fraunhofer IPA ein mobiler Offshore-Inspektionsroboter „MIMROex“ aufgebaut und erfolgreich im Praxistest erprobt. Dieser Roboter konnte auch in explosiver Atmosphäre sicher betrieben werden und war in der Lage, autonom Patrouillenfahrten durchzuführen, Sensordaten zu protokollieren und an einen Leitstand zu übertragen.

Der im Rahmen des Projekts ImRoNet entwickelte Wartungsroboter ist zusätzlich in der Lage, einfache Handhabungsaufgaben wie z.B. das Öffnen und Schließen von Ventilen mit Hilfe von Stellrädern durchzuführen (siehe Bild). Dabei wird der Roboter durch einen Benutzer ferngesteuert, unterstützt diesen jedoch durch teilautonome Sicherheits- und Bewegungsfunktionen. Damit kann die Bedienung des Roboters durch den Teleoperator vereinfacht und Beschädigungen der Einrichtungsgegenstände vermieden werden, z.B. wenn der Endeffektor des Roboters beim Auf- oder Zudrehen eines Stellrads nicht entlang der korrekten Bahn geführt wird.

Bildverarbeitung
Die Bildverarbeitung muss Position und Orientierung spezieller Objekte in der Umgebung wie z.B. Stellräder, die gedreht werden sollen, erkennen. Dafür wird ein 3-D-Tiefensensor genutzt, der die Umgebung des Roboters in Form einer dreidimensionalen Punktewolke sowie eines zweidimensionalen Tiefenbildes erfasst. Da Stellräder oder Anzeigen eine annähernd runde Form besitzen, werden Algorithmen zur Ellipsenerkennung auf die Daten des Tiefensensors angewandt, um wesentliche Parameter wie Radius, Normalenrichtung und Position zu bestimmen. Als Basis für den Kollisionsschutz werden zusätzlich von statischen Hindernissen wie Wänden, Geländern oder Maschinen 3-D-Modelle erstellt und dem Roboter in Form eines dreidimensionalen Umgebungsmodells zur Verfügung gestellt. Zusätzlich werden diese zusammen mit den erkannten Objekten zur Unterstützung des Teleoperators in einer graphischen Benutzeroberfläche angezeigt.
Haptik
Für die intuitive Teleoperation von Robotern ist der Einsatz von haptischen Effekten sehr hilfreich. Zur Steuerung des Roboters wird ein haptisches Eingabegerät verwendet, welches Kraftrückkopplungen erzeugen kann. Diese basieren auf der Interaktion des Cursors in der graphischen Benutzeroberfläche mit Objekten in der 3-D-Umgebung. So wirken Stellräder beispielsweise anziehend auf den Cursor, während dieser von anderen Objekten, die als Hindernisse gesehen werden, abgestoßen wird. Mit Hilfe des Cursors kann so beispielsweise ein zu drehendes Stellrad ausgewählt oder eine Bewegung des Roboters erzeugt werden.
Mobile Manipulation
Nachdem durch die Objekterkennung die Position und Rotation des Stellrades definiert wurde, kann sich der Roboter mittels der mobilen Plattform in dessen Nähe begeben. Dafür wird eine Zielposition für die Plattform relativ zum Stellrad berechnet, die eine Manipulation des Stellrades ermöglicht. Nachdem das Stellrad erreicht ist, wird basierend auf dessen Parametern sowie dem Umgebungsmodell eine Armtrajektorie berechnet, um das Stellrad in vorgegebener Richtung zu bewegen. Der Einsatz eines Kraftsensors ermöglicht dabei die Kompensation von Ungenauigkeiten der 3-D-Sensorik oder der Lokalisierung. Soll ein sehr großes Stellrad bewegt werden, für das der Arbeitsraum des Manipulators nicht ausreicht, bewegt sich die mobile Plattform zusätzlich hin und her, um den Arbeitsraum des Manipulators entsprechend zu vergrößern.

Das Projekt ImRoNet wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie unter dem Förderkennzeichen 01MR06002 gefördert.

Ihr Ansprechpartner für weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dipl.-.Inf. Birgit Graf
Telefon +49 711 970-1910 I birgit.graf@ipa.fraunhofer.de