Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Müller, Florian
Thomas, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.) ; Jäkel, Jens (Prof. Dr.-Ing.) ; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing.)
Assistierende virtuelle Kraftfelder bei handgeführten Robotern
Assisting artificial force fields for hand-guided robots
Kurzfassung in deutsch
Handgeführte Schwerlastroboter werden in der Industrie eingesetzt, um Arbeitern beim Heben von schweren Lasten zu unterstützen. Diese Technologie ordnet sich in das Gesamtkonzept der Mensch-Roboter-Interaktion (MRI) ein, bei welchem sich Mensch und Roboter einen gemeinsamen Arbeitsraum teilen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Bedienung solcher Roboter für den Nutzer zu vereinfachen und intuitiver zu gestalten.Zu diesem Zweck wurden die assistierenden Kraftfelder entwickelt, deren Algorithmus aus einer Lern- und einer Anwendungsphase besteht. In der Lernphase werden die Bewegungsdaten von erfahrenen Arbeitern innerhalb einer speziellen Arbeitsaufgabe aufgezeichnet. Aus diesen Daten wird in der Anwendungsphase ein virtuelles Kraftfeld generiert, welches den Nutzer auf die Pfade der erfahrenen Arbeiter leitet. Es wurden drei verschiedene assistierende Kraftfelder entwickelt: das tunnelförmige virtuelle Kraftfeld (TKF), das assistierende virtuelle Kraftfeld (AKF) und das AKF für anthropomorphe Roboterarme. Das TKF beeinflusst den Endeffektor des Roboters und eignet sich für alle Robotertypen. Das AKF ist eine Erweiterung des TKF und beeinflusst sowohl die Position als auch die Orientierung des Endeffektors. Dieses Kraftfeld wird eingesetzt, um die Nutzer der oben angesprochenen industriellen Schwerlastroboter zu unterstützen. Um dieses Kraftfeld für die in der MRI weit verbreiteten Leichtbauroboter zugänglich zu machen, wurde es für den Einsatz mit anthropomorphen Roboterarmen angepasst. Zusätzlich wurde die kraftfeldabhängige variable Impedanzregelung (KF-VIR) vorgestellt.
Aufgrund der nichtlinearen Rückkopplung des Kraftfeldes und die durch die Reaktionszeit bedingte zeitverzögerte Rückkopplung des Menschen ist eine Stabilitätsbetrachtung des Gesamtsystems, bestehend aus Roboter, Mensch und Kraftfeld, notwendig. Für das Menschmodell wurden verschieden Ansätze mit aktiven und passiven Parametern sowie einer Reaktionszeit/Totzeit vorgestellt. Diese wurden mit in das Gesamtsystem integriert. Die resultierenden Gesamtsysteme wurden mit unterschiedlichen Methoden auf Stabilität geprüft. Zwei dieser Methoden wurden in der vorliegenden Arbeit basierend auf dem Ljapunow-Krasovskii-Funktional entwickelt und dienen zur analytischen Untersuchung von polynomialen Totzeitsystemen. Um zusätzlich Anwendungsfälle mit mehreren Nutzern betrachten zu können, wurden Modelle und Methoden entsprechend angepasst und ebenfalls untersucht. Aus all diesen Untersuchungen resultierten unter anderem konservative analytische Stabilitätsgrenzen im Parameterraum.
Mit Hilfe von Simulationsstudien und anschließenden experimentellen Validierungen wurden verschiedene Parametrierungseinstellungen des AKF und des KF-VIR untersucht. Daraus leiteten sich Parametrierungsrichtlinien für spätere Anwender ab. Um zu untersuchen, ob sich die Bedienung eines im Gelenkraum geregelten handgeführten Roboter durch den Einsatz des AKF verbessert, wurden eine Nutzerstudie unter Laborbedingungen mit 42 Probanden und eine praxisorientierte Nutzerstudie mit 24 Probanden durchgeführt. Bei den Versuchen mit AKF reduzierte sich die Fehleranzahl der Probanden im Schnitt um die Hälfte. Des Weiteren zeigten die Ergebnisse bezüglich Versuchsdauer, Arbeitsbelastung und Nutzerkomfort ebenfalls signifikante Verbesserungen mit großen Effekten.
Kurzfassung in englisch
Hand-guided robots with heavy payloads are used in the manufacturing industry to assist workers by lifting heavy work pieces. This technology is part of the general concept of human-robot interaction (MRI). The basic idea of MRI defines a common work space for humans and robots. The aim of this thesis is to improve hand-guiding for such types of robots in making hand-guiding more intuitive for its users.For this purpose assisting force fields were introduced. The corresponding algorithm is established on two phases: a learning phase and an execution phase. During the learning phase the movement data of experienced users, while guiding a robot performing a special task, will recorded. Based on this data an artificial force field will be generated during the execution phase. This force field guides the user to the reference paths of the experienced users. Three types of assisting force field were presented: the tunnel-shaped artificial force field (TKF), the assisting artificial force field (AKF) and the AKF for anthropomorphic robot arms. The TKF influences the end-effector of the robot and could be used for all robot types. The AKF is a continuation of the TKF and influences the position and orientation of the end-effector. This force field is suitable for assisting users of industrial robots with heavy payload. In order to use this force field for the in the MRI widespreaded light-weight robots, the AKF was adapted to the usage of anthropomorphic robotic arms. Furthermore, the force-field-dependent variable impedance control (KF-VIR) was introduced.
Because of the nonlinear feedback of the force fields and the delayed feedback of the humans due to their response time a stability analysis of the overall system made out of robot, human and force field is necessary. For the human model different approaches with passive and active parameters as well as response time/time-delay were presented. This models were integrated in the different overall systems. These systems were analyzed by several stability methods. Two of these methods are based on the Lyapunov-Krasovskii-functional and are results this thesis. These are general methods for the stability analysis of polynomial time-delay systems. In order to consider additionally the use case of multiple users the corresponding models and methods were adapted and also analyzed on stability. Resulting from the conduced stability analysis several conservative stability boundaries within the parameter space were identified.
Using simulation studies and subsequent experimental validation, different parameter settings of the AKF and the KF-VIR were investigated. From this parametrization rules for end users were derived. Two user studies were conducted. Firstly, a user study in a laboratory environment with 42 participants and secondly, a user study with practical orientation with 24 participants. The aim of these studies was to research how the AKF could improve the guiding of hand-guided robots with a joint space controller. Using the AKF reduces the number of errors by half in average. Furthermore, significant improvements with large effects on test duration, work load and user comfort were shown when using the AKF.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Robotik und Mensch-Technik-Interaktion | |
| Fakultät: | Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Thomas, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.) | |
| ISBN/ISSN: | 978-3-8440-6424-7 | |
| Quelle: | Aachen : Shaker Verlag, 2018. - 221 S. - Band 1 | |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): | Mensch-Roboter-Interaktion , virtuelle Kraftfelder , Menschmodell , nichtlineare Totzeitsysteme , Impedanzregelung , Nutzerstudie | |
| Freie Schlagwörter (Englisch): | physical human-robot interaction , artifical force fields , human model , nonlinear time-delay systems , impedance control , user study | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 09.11.2018 |
