PN 20041 - Modellbasierte Regelung für rekonfigurierbare mobile Roboter

Abstract English

Wheeled mobile robots are built to accomplish specific transport or mobility requirements. As a consequence, one obtains a large variety of robot drives with diverse functionalities and mobility characteristics and requires drive-specific controllers to operate them according to their kinematics.

This project pursues a radically different approach. Instead of building specialized controllers, we propose to build a generic controller that can operate almost any robot drive. Moreover, we built a self-aware controller that analyzes a robot’s drive in terms of its mobility characteristics and automatically derives the appropriate control strategy. It performs this operation on the basis of a model that specifies the geometry and functionality (steered-, un-steered wheel, etc.) of a drive. Our intention is not just to drive every robot, but also to provide this capability robustly so that faults in the robot can be handled automatically as well. As a consequence, we allow the model to change over time in order to reflect the current mode of operation or failure of the robot and derive the controller on demand during run-time of the robot.

To achieve this functionality we developed the theory and computationally efficient algorithms for two key components:
(a) an estimation- or diagnosis unit that identifies the health state of the robot drive and
(b) a kinematics reasoning unit that analyzes the mobility capabilities of a drive at its mode of operation or failure (as proposed by the diagnosis unit).

To demonstrate this functionality we further developed a novel modular robot system for which we obtained patent protection. The modular robot system uses the nature-inspired honey-comb geometry as its basic shape for the individual robot components. In that way we obtain a versatile robot kit that enables us to build various robot drives and robots that reconfigure themselves during operation.

One emphasis of this project was to keep the set of possible robot-drives as open as possible. As a consequence, we ended up with a control scheme that allows us to operate (a) almost any robot, (b) robots that change their shape/geometry and (c) any collection of robots that perform coordinated movements. Many interesting applications in factory logistics and multi-robot object transport can thus be solved easily.

 

Kurzfassung Deutsch

Das Fahrwerk eines mobilen Radroboters wird üblicherweise entsprechend den spezifischen Transport- oder Mobilitätsanforderung aufgebaut. Dies führt zu einer Vielzahl von unterschiedlichsten Fahrwerken, für deren Betrieb ein eigens entwickelter Fahrwerksregler erforderlich ist.

Im Rahmen dieses Projektes wurde ein alternativer Ansatz zur Regelung von Roboterfahrwerken auf Basis eines generischen, modellbasierten Reglers für verschiedenste Roboterfahrwerke erarbeitet. Dieser analysiert das Roboterfahrwerk bezüglich seiner Mobilitätscharakteristika und leitet, zur Laufzeit des Reglers, automatisiert eine geeignete Steuerungsstrategie ab. Grundlage für diese Funktionalität ist ein Fahrwerksmodell, welches die Fahrwerksgeometrie und -funktionalität (gelenkte und starre Standardräder, omnidirektionale Räder, etc.), sowie den jeweils gültigen Betriebs- bzw. Fehlerzustand der Fahrwerkskomponenten abbildet. Auf diese Weise erhalten wir einen breit anwendbaren robusten Fahrwerksregler, welcher Änderungen im Fahrwerk zur Laufzeit berücksichtigt und damit auch Fehler entsprechend der sich bietenden Möglichkeiten kompensiert.

Um diese Funktionalität zu erreichen, wurden im Rahmen des Projektes folgende Basiskomponenten für den modellbasierten Fahrwerksregler entwickelt:
(a) Eine Einheit zur Zustandsschätzung und Diagnose, welche den jeweils gültigen Betriebs- / bzw. Fehlerzustand der einzelnen Komponenten bestimmt und
(b) eine Kinematics-Reasoning Einheit zur Analyse der Mobilitätseigenschaften eines Roboterfahrwerkes und zur Bestimmung der jeweils notwendigen Steuerungsstrategie.

Darüber hinaus wurde ein innovatives, und mittlerweile patentiertes, modulares Robotersystem auf Basis von Fahrwerksmodulen in Form von 6-eckigen (wabenförmigen) Prismen entwickelt. Dieses Baukastensystem ermöglicht den Aufbau einer Vielzahl von unterschiedlichsten Roboterfahrwerken und (im Betrieb) rekonfigurierbarer Roboter.
Des Weiteren bildet es eine ideale Plattform, um die entwickelten Methoden auf einem realen System zu demonstrieren und verifizieren.

Ziel dieses Projektes war es, die Möglichkeiten bezüglich Fahrwerksgeometrie und -funktionalität sehr allgemein zu fassen. Aus diesem Grund kann der erarbeitete Regelungsansatz neben nahezu allen möglichen Fahrwerksformen auch sich während des Betriebes verändernde Roboter und vor allem auch mehrere, koordiniert operierende Roboter direkt handhaben. Dies eröffnet neue Lösungsmöglichkeiten für fahrerlose Transportsysteme in der industriellen Fertigung und vor allem auch für den Objekttransport durch mehrere, koordiniert operierende Transportsysteme.

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