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ImRoNet

05.06.2008
Internetbasierte multimediale/multimodale Nutzerschnittstellen zur Teleoperation von Robotern

Ziel des Forschungsvorhabens ImRoNet ist es, internetbasierte multimediale/multimodale Nutzerschnittstellen zur Teleoperation von Robotern zu erforschen und neue Verfahren und Komponenten zur Gestaltung der intuitiven Bedienung von Robotern in typischen Einsatz­umgebungen zu konzipieren und experimentell zu validieren.

Damit die Teleoperation intuitiv und effektiv durchgeführt werden kann, sollen die Daten unterschiedlichster Sensorsysteme des Roboters multimedial so aufbereitet werden, dass der Bediener sie intuitiv interpretieren und darauf reagieren kann. Die Anwendungen für solche teleoperativen Systeme sind die Überwachung und Steuerung von technischen Anlagen, Bauwerken, Gebäuden und Umgebungen.

Im Rahmen von ImRoNet werden am Fraunhofer IPA neue Verfahren für die Datenübertragung, insbesondere die Anbindung der Industriestandards ADS und OPC/UA zur Steuerung mobiler Roboter, zur Umgebungsmodellierung und zur teilautonomen, multimodalen Steuerung teleoperierter Roboter, entwickelt. Diese Schlüsselkomponenten werden nachfolgend im Detail beschrieben:

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»Kollision »Roboter »Teleoperation

ADS-Anbindung der Roboterhardware

Für die zeitnahe Übertragung multimedialer und multi­modaler Inhalte sowie für die Ansteuerung und das Auslesen von Aktoren und Sensoren ist eine effiziente Anbindung der Roboterhardware an den entsprechenden Steuerrechner notwendig. Das ADS-Protokoll ist ein industriell erprobtes Produkt, das auf Durchsatz und Determinismus optimiert ist und somit minimale Zyklus- und Reaktionszeiten des Roboters ermöglicht. Für ImRoNet wurde deshalb eine Robotersteuerung auf Basis von ADS umgesetzt.

Steuerung mobiler Roboter über OPC

OPC/UA ist ein herstellerunabhängiger Standard zum Austausch von Daten zwischen unterschiedlichen Softwarekomponenten. OPC/UA bietet eine Basis für eine effiziente Datenübertragung, welche nicht echtzeitfähig oder deterministisch vorliegen müssen. Insbesondere werden Mechanismen für den sicheren Datenaustausch über das Internet bereitgestellt. Durch die Erweite­rung der Robotersteuerung um eine OPC/UA-Schnittstelle wurde die Anbin­dung der Steuerung an die industrielle Automatisierungstechnik ermöglicht.

Umgebungsmodellierung

Sollen mobile Roboter Manipulationsaufgaben übernehmen, ist eine exakte Kenntnis der jeweiligen Umgebung Voraussetzung. Nur so können potentielle Kollision­en des Roboters mit Objekten oder Personen frühzeitig erkannt und vermieden werden. Im Rahmen von ImRoNet beschäftigt sich das Fraunhofer IPA mit der automatischen Generierung solcher Umgebungskarten. Im Vordergrund steht dabei nicht das Erlernen großflächiger Gebiete, welches komplexe Algorithmen benötigt und immense Anforderungen an die Rechenleistung der verwendeten Systeme stellt, sondern die Detaillierung und Ausgestaltung bereits teilweise bekannter Regionen. Unter Ausnutzung der Synergien bestehender Verfahren zur Navigation und neuartiger 3-D-Sensoren können effizient dynamische Modelle der näheren Umgebung erstellt werden. Diese exakten, dynamischen Modelle bieten die Grundlage für die sichere Bewältigung von Manipulationsaufgaben.

Benutzerschnittstelle mit Augmented Reality und haptischem Feedback

Zur Unterstützung des Benutzers während der tele­operierten Manipulation wird in ImRoNet eine multimodale Benutzerschnittstelle realisiert. Diese beinhaltet sowohl die vom Roboter übertragenen Kamerabilder als auch eine überlagerte Visualisierung relevanter Objekte und Hindernisse in der Umgebung des Roboters. Mittels haptischem Feedback, z. B. über einen Force-Feedback-Joystick werden Kollisionen vermieden sowie Manipulationsvorgänge vereinfacht, z. B. indem vor der Durchführung des eigentlichen Manipulationsvorgangs in einer Simulationsumgebung der Endeffektor des Roboters automatisch an das zu manipulierende Objekt herangeführt und dadurch der Zielpunkt für den nachfolgenden Greifvorgang definiert wird.

Kollisionsfreie Manipulation

Nach der Vorgabe einer Greifposition muss der Manipulator die entsprechende Konfiguration einnehmen. Da sich in der Umgebung des Roboters Personen aufhalten können, sind neben einer exakten Kinematik und Gelenkwinkelregelung eine dynamische Kollisionsvermeidung und eine damit verbundene Echtzeit-Überwachung des Arbeitsraums erforderlich. Die Kollisionsüber­wachung schließt sowohl Eigenkollisionen des Roboters als auch Kollisionen mit der Umgebung aus. Der Kollisionserkennungsalgorithmus ist mit einem Bahnplanungsverfahren gekoppelt, das ausgehend von der aktuellen Roboterkonfiguration einen kollisionsfreien Pfad zur Zielkonfiguration errechnet und verfolgt.

Weitere Informationen zu ImRoNet finden Sie auf dem Serviceroboterstand der Automatica in Halle B3 Stand 339.

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
Dr.-Ing. Dipl.-Inf. Birgit Graf
Telefon: +49(0)711/970-1910, E-Mail: birgit.graf@ipa.fraunhofer.de

Hubert Grosser | Fraunhofer Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.ipa.fraunhofer.de/
http://www.imronet.de

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