A Hierarchical Framework for Physical Human-Robot Interaction

Heutzutage sind Roboter mehr als Maschinen, die nur die stets gleichen Bewegungen hinter Sicherheitszäunen ausführen. Moderne Roboter müssen mehrere komplexe Aufgaben erfüllen können, während sie mit dem Menschen zusammenarbeiten. Hierzu besitzen moderne Roboter häufig zwei Haupteigenschaften: eine erhöhte Vielseitigkeit durch eine große Anzahl von Gelenken und die Fähigkeit, den Umgebungskontakt durch Drehmoment/Kraftsensoren wahrzunehmen. Solche komplexen Roboter erfordern die Entwicklung von ausgefeilten Regelungsarchitekturen. In den letzten Jahren wurden viele Architekturen vorgeschlagen, die auf die durch die große Anzahl von Gelenken verursachte Redundanzproblematik zielen. Diese Architekturen (auch "Framework" genannt) lösen das Redundanzproblem, indem sie verschiedene Aufgaben in einer hierarchischen, also priorisierten, Weise verarbeiten. Eine solche Priorisierung ist allerdings in Anwendungen problematisch, in denen der Roboter mehrere Einschränkungen gleichzeitig unbedingt einhalten muss, z.B. aus Sicherheitsgründen. Ein Sonderfall sind einseitige Einschränkungen wie z.B. Gelenkgrenzen oder Begrenzungen des Arbeitsraums. Um diese zu implementieren, beruhen aufgabenhierarchische Methoden auf der Aktivierung abstoßender Potentialfelder. Nachteilig ist dabei jedoch, dass diese je nach Roboterkonfiguration und Bewegungsgeschwindigkeit zu Schwingungen oder hohen Kräften des Roboters führen können. Diese Arbeit schlägt ein Framework vor, um verschiedene Aufgaben unter gleichzeitiger Einhaltung mehreren Einschränkungen umzusetzen. Ziel dieses Frameworks ist es, redundante Roboter in kollaborativen Szenarien zu steuern. Ein besonderes Augenmerk liegt darauf, dass der Roboter auf physische Interaktion mit dem Menschen stets intuitiv und sicher reagiert: so darf der Roboter auf den Menschen keine hohen Kräfte ausüben oder mit unerwarteten Bewegungen auf äußere Kräfte reagieren. Das Framework verwendet neuartige Methoden, um Positions-, Geschwindigkeits und Beschleunigungsgrenzen im Gelenkraum sowie im kartesischen Raum einzuhalten. Eine vergleichende Studie von weit verbreiteten Algorithmen zur Redundanzauflösung, die auf Projektoren und quadratischer Programmierung beruhen, wird durchgeführt, um die gewünschte intuitive Reaktion auf externe Kräfte herzuleiten. Die Experimente wurden an einem redundanten kollaborativen Industrieroboter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode zur Grenzvermeidung eine stets sichere und erwartbare Reaktionen hervorruft, wenn der Mensch externe Kräfte ausübt. Dabei überschreitet der Roboter die festgelegten Grenzen nicht, während die vorgegebenen Aufgaben hierarchisch abgearbeitet werden.