Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Kooperation und Kollaboration mit Schwerlastrobotern - Sicherheit, Perspektive und Anwendungen
    ( 2020)
    Surdilovic, Dragoljub
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    Bastidas Cruz, Arturo
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    Haninger, Kevin
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    Heyne, Philipp
    Kollaborative Roboter mit hoher Nutzlast stehen vor Herausforderungen beim mechatronischen Design und der Definition von Rollen zwischen Mensch und Roboter. Die ersten in zahlreichen Forschungsprojekten entwickelten Prototypen der kollaborativen Schwerlastroboter haben gezeigt, dass solche Roboter dem Menschen bei der Handhabung von Schwerlasten enorm helfen, und ihn dadurch vor gesundheitsschädlichen Arbeitsbelastungen schützen. Durch leistungsstarke Sensorik und fortgeschrittene Steuerungstechnik wird diese Aufgabe machbar. Dabei ist es auch möglich, die strengen Bedingungen der Sicherheitsstandards, wie bei kleinen Robotern, zu erfüllen und Sicherheit der Menschen trotz höherer Trägheit des Roboters und höherer Lasten zu gewährleisten. In diesem Beitrag werden diese Herausforderungen im Kontext mehrerer Taxonomien der Mensch-Roboter-Kollaboration und industrieller Anwendungen analysiert und erklärt.
  • Publication
    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.
  • Publication
    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.
  • Publication
  • Publication
    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.
  • Publication
    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.
  • Publication
    Assistenzsysteme. Personalisierbare Assistenzkinematiken und am Körper getragene Hebehilfen
    ( 2017)
    Kraus, Werner
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    Lefint, Jérémy
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    Müller, Veit
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    Schwarz, Oliver
    ;
    Stelzer, Patrick
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    Surdilovic, Dragoljub
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    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.
  • Publication
    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.
  • Publication
    Geschickte Roboter für die Montage
    ( 2016)
    Surdilovic, Dragoljub
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    Radojicic, Jelena
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    Bastidas Cruz, Arturo
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    Konz, Barbara
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    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.
  • Publication
    Simulation, Steuerung und Planung von parallelen Seilrobotern der IPAnema-Familie
    ( 2014)
    Pott, Andreas
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    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.