Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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What dynamics should impedance-controlled robots render?

2019 , Haninger, Kevin , Surdilovic, Dragoljub , Bastidas Cruz, Arturo

While impedance control is the standard framework for physically interactive robots, the design choice of what dynamics should be rendered requires additional information (assumptions on environment, in-situ data). The range of dynamics which can be rendered by a robot is informed by its mechatronic design (actuators, physical compliance, innerloop control), and these mechanical design decisions must be made in advance. How can a mechatronic design be evaluated when the system objectives and environment dynamics are not quantified? This paper presents performance metrics proposed for pHRI in literature, and seeks to move towards a unified methodology for mechatronic design on interactive robots: supporting potential performance and safety over a set of environments.

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Multimodal Environment Dynamics for Interactive Robots

2018 , Haninger, Kevin , Surdilovic, Dragoljub

Interactive robots offer improved performance in tasks with environmental uncertainty, but accommodating environment input weakens predictions of contact force or position trajectories, making the identification of subtask completion or faults difficult. This paper develops a task monitoring approach for complex assembly tasks that involve transitions between discrete environment dynamic modes. In semi-structured environments, these dynamic modes and their transitions are approximately known a priori, allowing task monitoring through estimation of the current mode and fault detection as a deviation from expected, desired dynamic mode transitions. This allows a more natural description of many interactive tasks, improving robustness to variations in force or position trajectories that impedance control seeks to address. The ability of impedance and admittance controlled robots to identify their environment is investigated, making consideration of joint and end-effector physical compliance. Prior information on environment dynamics and mode transitions allow recursive estimates of dynamic mode suitable for online use, under both full state knowledge and only force/position measurements. Experiments with an admittance controlled robot in a gear assembly task validate the approach.

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Geschickte Roboter für die Montage

2016 , Surdilovic, Dragoljub , Radojicic, Jelena , Bastidas Cruz, Arturo , Konz, Barbara , Heyne, Philipp

Die jüngsten Nachrichten über die "Ausmusterung" konventioneller Roboter aus den Montagelinien wegen unzureichender Flexibilität und mangelnder Fertigkeiten im Vergleich zu menschlichen Werkern waren für Forscher, die sich intensiv mit der Entwicklung zukunftsorientierter, geschickter Roboter befassen keine große Überraschung. Denn die Produktion von Bauteilen mit kundenspezifischen Merkmalen verlangt neue Robotersysteme mit der Fähigkeit, sich in kurzer Zeit an neue Produktvarianten oder Aufgaben anzupassen.

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Kooperative Roboter - gemeinsam sind wir stärker

2012 , Surdilovic, Dragoljub

Moderne Industrieroboter zeichnen sich durch Präzision, Schnelligkeit und Leistung aus. Allerdings wird ihr Leistungsvermögen in absehbarer Zeit nicht annähernd die Intelligenz und Geschicklichkeit des Menschen erreichen. Daher ist es ideal, die positiven Eigenschaften von Mensch und Roboter zu kombinieren. Wissenschaftler am Fraunhofer IPK erforschten neue Ansätze einer solchen Kooperation und setzten sie prototypisch um. Zwei dieser Prototypen fanden bereits Einsatz in der Industrie. Das Konzept basiert auf der direkten Kooperation zwischen Mensch und Roboter bei physischem Kontakt, wie zum Beispiel im Fall des gemeinsamen Handhabens beziehungsweise Fügens eines Objektes.

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Bounded Collision Force by the Sobolev Norm: Compliance and Control for Interactive Robots

2019 , Haninger, Kevin , Surdilovic, Dragoljub

A robot making contact with an environment or human presents potential safety risks, including excessive collision force. While experiments on the effect of robot inertia, relative velocity, and interface stiffness on collision are in literature, analytical models for maximum collision force are limited to a simplified mass-spring robot model. This simplified model limits the analysis of control (force/torque, impedance, or admittance) or compliant robots (joint and end-effector compliance). Here, the Sobolev norm is adapted to be a system norm, giving rigorous bounds on the maximum force on a stiffness element in a general dynamic system, allowing the study of collision with more accurate models and feedback control. The Sobolev norm can be found through the H 2 norm of a transformed system, allowing efficient computation, connection with existing control theory, and controller synthesis to minimize collision force. The Sobolev norm is validated, first experimentally with an admittance-controlled robot, then in simulation with a linear flexible-joint robot. It is then used to investigate the impact of control, joint flexibility and end-effector compliance on collision, and a trade-off between collision performance and environmental estimation uncertainty is shown.

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Assistenzsysteme. Personalisierbare Assistenzkinematiken und am Körper getragene Hebehilfen

2017 , Kraus, Werner , Lefint, Jérémy , Müller, Veit , Schwarz, Oliver , Stelzer, Patrick , Surdilovic, Dragoljub , Trostmann, Erik

Die zunehmende Individualisierung und Personalisierung von Produkten führt zu geringen Losgrößen sowie einer hohen Variantenvielfalt und erhöht damit die Komplexität in der Produktion. Diese Herausforderungen machen den Menschen mit seiner Flexibilität sowie seinem strategischen und lösungsorientierten Denken auch in unvorhergesehenen Situationen unverzichtbar. Gleichzeitig führt der demographische Wandel zu einer älter werdenden Belegschaft Um die Gesundheit der Mitarbeiter zu sichern und eine gleichzeitig hohe Produktqualität zu gewährleisten, sind Assistenzsysteme zur insbesondere ergonomischen Unterstützung des Menschen im Produktionsumfeld eine mögliche Lösung.

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Simulation, Steuerung und Planung von parallelen Seilrobotern der IPAnema-Familie

2014 , Pott, Andreas , Kraus, Werner , Surdilovic, Dragoljub , Radojicic, Jelena

Parallele Seilroboter sind eine konsequente Weiterentwicklung von Kranen hin zu universellen Handhabungssystemen. Die Anwendung von Steuerungstechnik aus der Robotik auf die etablierte Krantechnik erlaubt es, viele Vorteile der autonomen Roboter auch im Umfeld von Kranen zu nutzen. Gleichzeitig können die Alleinstellungsmerkmale von Kranen bezüglich sehr großer Lasten und sehr großer Bewegungsbereiche erhalten werden. In diesem Beitrag werden die Grundlagen zum Thema Seilroboter dargestellt und aufgezeigt, worin die besonderen Vorteile von Seilrobotern liegen. Weiterhin wird anhand des Aufbaus einer Robotersteuerung gezeigt, durch welche Module diese Steuerung für die Ansteuerung von Seilrobotern ergänzt werden kann. Hier ist insbesondere die kinematische Transformation zu nennen, die die notwendigen Bewegungen der Winden für eine gewünschte Bewegung der Last liefert. Potenzielle Einsatzszenarien von Seilrobotern wurden anhand der Applikationsbeispiele des IPAnema 3 Systems skizziert.

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Identification of Human Dynamics in User-Led Physical Human Robot Environment Interaction

2018 , Haninger, Kevin , Surdilovic, Dragoljub

Human dynamic models are useful in design of physical human-robot and human-robot-environment interaction: informing choice of robot impedance, motivating relaxations to passivity-based safety constraints, and allowing online inference to user intent. Designing for performance objectives such as stable well-damped contact transitions also requires nominal models, but the use of human models in controller design is limited. Established approaches to identify human dynamics apply position or force perturbation and measure the corresponding response, mostly to validate neuromuscular hypotheses on motor control, which raises questions about their transferability to human-led collaboration. Here, human dynamics are identified in a task which closely resembles the final application, where the human leads the robot into contact with a (virtual) wall. This paper investigates the impact of human dynamics on coupled system behavior, and establishes a general framework for identification in human-led scenarios, making consideration of unmeasured human input. Experiments with different stiffness environments allow inference to human dynamics, and characterize the range of human dynamics which can be modulated by the user.

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Assistenzsysteme für die Produktion

2017 , Kraus, Werner , Stelzer, Patrick , Trostmann, Erik , Surdilovic, Dragoljub

Die zunehmende Individualisierung und Personalisierung von Produkten führt zu geringen Losgrößen sowie einer hohen Variantenvielfalt und erhöht damit die Komplexität der Produktion. Diese Herausforderungen machen den Menschen mit seiner Flexibilität sowie seinem strategischen und lösungsorientierten Denken auch in unvorhergesehenen Situationen unverzichtbar. Gleichzeitig führt der demografische Wandel zu einer älteren Belegschaft. Um die Gesundheit der Mitarbeiter zu sichern und eine gleichzeitig hohe Produktqualität zu gewährleisten, sind daher Assistenzsysteme zur Unterstützung des Menschen im Produktionsumfeld eine mögliche Lösung.

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Seilbasierte Roboterkonzepte in der Krantechnik

2013 , Surdilovic, Dragoljub , Radojicic, Jelena

Komplexe Montageabläufe sperriger und komplexer Teile bei widrigen Wetterverhältnissen (z. B. Offshore-Montage) sind nach heutigem technischen Stand nur durch optimale Aufgabenverteilung zwischen automatisierten Systemen und erfahrenen Arbeitern effizient zu gestalten. Seilroboter tragen zur Entlastung der Menschen von monotoner, schwerer und oft gefährlicher körperlicher Montage-Arbeit bei, erhöhen die Montage-Effizienz, sparen die Kosten und kürzen den Zeitaufwand. Zu den neueren Entwicklungen gehört u. a. String-Man, der erste Seilroboter für die Rehabilitation. Er unterstützt den Wiederaufbau des Gleichgewichts und motorischer Funktionen neurologischer oder orthopädischer Patienten, z. B. nach einem Schlaganfall, Verletzungen oder Operationen an Knie und Hüftgelenken. Der Patient wird wie eine Marionette in das System eingehängt, damit er ohne Belastung Gangübungen durchführen kann. Analysiert wird auch der Arbeitsraum eines großflächigen seilbasierten Roboters (Abmessungen: 100 m×100 m×25 m) mit einem End-Effektor von 20 kg in zwei unterschiedlichen Fällen: Roboterkonfiguration mit vier Seilen und mit acht Seilen. Ein anschauliches Beispiel für die Problematik und die Möglichkeiten von Seilrobotern liefern die Montage und Fertigung von Großstrukturen, wie Flugzeugen, Schiffen, Windkraft- und Solaranlagen. Bei solchen sicherheitskritischen Anwendungen lassen sich die Seilroboter mit zusätzlichen Seilen erweitern, um die Sicherheit gegen den Ausfall einzelner Komponenten zu erhöhen oder den Arbeitsraum zu vergrößern. Eine besondere Innovation zum Seilrobotereinsatz, die im Mittelpunkt laufender Forschungsaktivitäten steht, ist das Konzept der sogenannten erweiterten Kransysteme. Die Grundidee ist dabei, die konventionellen Kransysteme für sehr schwere Bauteile mit einem zusätzlichen Seilroboter, der in Abhängigkeit von Bauteilgröße und Montageaufgabe aus mehreren Steuerseilen mit mobilen und im Raum einstellbaren Winden bestehen kann, zu erweitern. Das Kransystem übernimmt das Tragen und Grundpositionieren des Bauteils, das eine gemeinsame Plattform mit dem Seilroboter darstellt. Die zusätzlichen Seitenseile übernehmen die Feinpositionierung für die Montage sowie die Kompensation der Schwingungen und Abweichungen, die durch Störungen (z. B. Wind) entstehen können.

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