Hintergrund: Experimente mit Assistenzrobotern für Haushaltsaufgaben
Die Unterstützung durch Roboter bei Haushaltsaufgaben (insbesondere bei älteren Menschen oder Personen mit eingeschränkter Mobilität) ist ein Problem, um das sich zahlreiche Forschungsprojekte drehen.
Toyota, Preferred Networks, das MIT, Sony und die Carnegie Mellon University forschen derzeit auf diesem Gebiet.
Ein Roboter, der alle auf dem Boden liegenden Sachen identifizieren und wegräumen kann. Ein Fensterputzroboter, ein Roboter, der bügelt oder kocht…
Diese Tests werden dazu dienen, die folgenden Fähigkeiten von Robotern zu verbessern:
- Autonome Navigation
- Lokalisierung in räumlicher Umgebung
- Erkennen von Objekten
- Manipulieren und Greifen
- Learning (Deep Learning)
In diesem Zusammenhang hat uns die Albert-Ludwigs-Universität Freiburg gebeten, vier mobile Manipulationsroboter zu liefern.
Diese Roboter sollen in einem Projekt zur Unterstützung von Haushaltsaufgaben eingesetzt werden (Erkennen und Manipulieren von Objekten, in verschiedenen Höhen).
GR LAB: Das Robotik-Entwicklungsbüro von Generation Robots
Generation Robots ist ein Integrator für Servicerobotik, der in der Lage ist, Lösungen auf der Grundlage Ihres Lastenhefts zu entwickeln.
Neben der mechanischen und elektrischen Konzeption liegt unser wichtigstes Know-how auf der Ebene der Software.
Wir haben zahlreiche autonome Roboter für den Innen- und Außenbereich entwickelt.
WAHL DER AUSRÜSTUNG
RIDGEBACK ROBOTER Clearpath Robotics
- Omnidirektionale Plattform (Mecanum-Räder)
- Maximale Nutzlast: 100 kg
- Überwindbares Hindernis: 18 mm
- Autonomie : 15 h bei maximaler Belastung
- Datenübertragung : Ethernet, USB 3.0, RS232
- Native Integration von ROS und Gazebo
- Große Grundfläche: 960 mm x 793 mm
TLT TELESKOPSÄULE Ewellix
- Stromversorgung: 24 V (wie der Ridgeback)
- Serielle Kommunikation (über Computer steuer-/programmierbar)
- USB-Anschluss: ja
- Gewicht: 20 kg
- Ausfahren in die Höhe: 50 cm
- Grundfläche: 145 mm x 145 mm (kompakt)
- Controller: ja (Energieverwaltung, serielle Kommunikation und Fernbedienung)
7 DOF ROBOTERARM Franka Emika
- 7 Freiheitsgrade
- Maximale Nutzlast: 3 kg
- Kontinuierliche Greifkraft: 70 N
- Maximale Greifkraft: 140 N
- Maximale Öffnung des Greifers: 80 mm
- ROS-Kompatibilität
LIDAR UST-30LX HOKUYO
- Entfernungsmesser mit geringem Stromverbrauch (150 mA oder weniger)
- Reichweite: 0.05 m - 30 m
- Scanbereich: 270°
- Genauigkeit: +/-40 mm
- Scan-Geschwindigkeit: 25 msec
Technische herausforderung #1: Erstellung eines einzigen schalters für 3 bewegliche komponenten
WARUM?
- Höhere Benutzerfreundlichkeit
- Mehr Sicherheit für den Anwender
Aus Sicherheits- und praktischen Gründen wurde beschlossen, dass der Not-Halt-Knopf der Ridgeback-Plattform dazu dienen sollte, die gesamte Roboterlösung (mobile Plattform, Roboterarm, Teleskopsäule, Computer) zu stoppen.
Technische herausforderung #2: Eine säule, die an die mobile robotik angepasst werden musste
NICHT ROS-KOMPATIBEL
Die Ewellix TLT-Säule hatte keinen ROS-Treiber (Robot Operating System).
Wir haben das ROS Package für die Säule (als Open-Source zur Verfügung gestellt) und einen digitalen Zwilling der Säule unter Gazebo auf der Grundlage der vom Hersteller gelieferten 3D-Modelle entwickelt.
Unsere Ingenieure haben außerdem einen kompletten digitalen Zwilling des Roboters erstellt, damit der Kunde Simulationen durchführen kann.
STROMVERSORGUNG DER TELESKOPSÄULE
Die Ewellix TLT-Säule wird mit 24V versorgt das ist die Ausgangsspannung des Ridgeback-Roboters.
Um eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten, hat unser Team einen Spannungswandler installiert (die Ausgangsspannung des Roboters variiert je nach Ladezustand der Batterie und schwankt zwischen 23 V und 28 V).
Technische herausforderung #3: Ein arm, der eine betriebsspannung von 230v benötigt
KOMPLEXITÄT DER STROMVERSORGUNG
Der FRANKA EMIKA Arm wird von einem Controller gesteuert, der mit 230V* arbeitet = Netzspannung
Unsere Ingenieure haben einen DC/AC-Spannungswechselrichter hinzugefügt, mit dem 24 V DC in 230 V AC umgewandelt werden können.
Diese Lösung ermöglicht es, den Arm mit der Batterie des mobilen Roboters zu versorgen. Sie bietet außerdem die Möglichkeit, einen PC im Tower-Format anzuschließen (230 V Spannung erforderlich).
Da die Universität mit dem Roboter Objekterkennung durchführen musste, benötigte sie eine leistungsstarke Grafikkarte. Diese Karten sind nur mit PC-Towern kompatibel.
IDENTIFIZIERTES PROBLEM
Der Akku des mobilen Roboters wird sich relativ schnell entladen (1 Stunde Betriebszeit im aktiven Modus), da er durch den PC-Turm, die Säule und den Arm stark beansprucht wird.
LÖSUNGSVORSCHLAG ZUR ERHÖHUNG DER AUTONOMIE
Zusätzliche Bleiakkus wären zu schwer für den mobilen Roboter (er bräuchte 2 Stück je 30 kg), der bereits das Gewicht der Säule und des Arms trägt.
Lithium-Ionen- oder LiFePo4-Batterien könnten in diesem Fall in Betracht gezogen werden. Für das vom Kunden geplante Experiment ist eine Betriebsdauer von 1 Stunde im aktiven Modus (1 Tag im Standby-Modus) ausreichend.
MÖGLICHE WEITERENTWICKLUNG
Wenn der Kunde es wünscht, kann er die Autonomie seines Roboters verbessern. Unsere Entwicklungsabteilung hat ihm die kompletten Schaltpläne zur Verfügung gestellt. Die Forscher, die an diesem Projekt arbeiten, sind in der Lage, eine solche Verbesserung zu realisieren.
Technische herausforderung #4: Arm- & säulenamplitude für das experiment unzureichend
IDENTIFIZIERTES PROBLEM
Roboterarme werden normalerweise an der Oberseite der Teleskopsäule angebracht. Diese Positionierung schränkt die Ausfahr- und Greifweite des Arms ein, insbesondere beim Aufheben von Gegenständen vom Boden.
VON 3D BIS ZUM BEARBEITETEN WERKSTÜCK
Design einer kleinen Metallplattform, die an die Säule angepasst wird und auf der der Arm ruhen wird.
Das Design und die Positionierung des Teils mussten so erfolgen, dass nichts die Ausfahrbarkeit der Säule behinderte.
Wir haben ein erstes Teil aus Aluminium gefertigt. Dieses Material erwies sich als zu weich, sodass die Struktur in einigen Fällen mitschwang. Die Bearbeitung eines Teils aus Stahl löste dieses Problem.
Auch die Form des Teils wurde so angepasst, dass es Kräfte und Vibrationen besser absorbieren konnte. Letztendlich gelang es unserem Team, die Vibrationen auf nahezu Null zu reduzieren.
Technische herausforderung #5: Teleoperation & autonomie der roboterplattform
TELEOPERATION JA, ABER ERWEITERBAR
Im Rahmen des Projekts wünschte der Kunde eine Basis, die bereit war, die Navigationsalgorithmen aufzunehmen und autonom zu manipulieren.
Gemäß der Spezifikation lieferten wir eine zur Teleoperation fähige Basis und es wurde alles in die Wege geleitet, damit die mobile Basis autonom werden konnte. 2 LiDAR Hokuyo UST30-LX wurden installiert, die ROS-Treiber für jedes Element wurden geliefert und installiert.
Als Teil ihres Experiments werden die Forscher der Universität ihre eigenen Programme einspeisen können.
Unser Team hat dafür gesorgt, dass die Teleskopsäule ebenfalls mit demselben Controller gesteuert werden kann, mit dem auch die mobile Basis gesteuert wird.
Fazit
Die von unseren Teams gelieferte Roboterplattform ist sehr umfassend:
- 1 mobile Basis
- 1 Teleskopsäule
- 1 7-achsiger Arm
- 2 LiDAR
- 2 Computer
- 1 Tiefenkamera, die auf einem Pan-Tilt montiert ist
Wir haben 4 Exemplare dieses Roboters zusammengebaut, programmiert und nach Deutschland geliefert. Für die gesamte Abwicklung des Projekts (vom Briefing bis zur Lieferung) haben wir 3,5 Monate benötigt.
Dank unserer Tochtergesellschaft in Deutschland können wir eine kundennahe Betreuung gewährleisten.
Erhöhte Sicherheit für Schreiner dank des kooperativen Roboterarms Franka Research 3
Der nachstehende Artikel ist ein Erfahrungsbericht des Forschungszentrums INRIA Bordeaux – Sud-Ouest, einem langjährigen Partner von Generation Robots.
Im folgenden Experiment verwendeten Forscher des INRIA einen kooperativen Roboterarm, um Schreinern bei der Holzbearbeitung zu helfen und Unfallrisiken zu reduzieren (oder zu vermeiden).
- Wahl der Ausrüstung
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Technische Herausforderung #1:
Die Propagierung des Not-Halts -
Technische Herausforderung #2:
Eine für mobile Roboter ungeeignete Säule -
Technische Herausforderung #2:
Eine für mobile Roboter ungeeignete Säule -
Technische Herausforderung #4:
Ein Arm, der eine Betriebsspannung von 230 v benötigt -
Technische Herausforderung #5:
Teleoperation & Autonomie der Roboterplattform