Mobiler Manipulator

Mobiler Manipulator ist heutzutage ein weit verbreiteter Begriff für Robotersysteme, die aus einem Roboter-Manipulatorarm aufgebaut sind, der auf einer mobilen Plattform montiert ist. Solche Systeme kombinieren die Vorteile mobiler Plattformen und Roboter-Manipulatorarme und reduzieren deren Nachteile. Zum Beispiel erweitert die mobile Plattform den Arbeitsbereich des Arms, während ein Arm mehrere Betriebsfunktionen bietet.

Beschreibung
Ein mobiles Manipulationssystem bietet einen doppelten Vorteil der Mobilität einer mobilen Plattform und der Fingerfertigkeit des Manipulators. Die mobile Plattform bietet unbegrenzten Arbeitsbereich für den Manipulator. Die zusätzlichen Freiheitsgrade der mobilen Plattform bieten dem Benutzer auch mehr Auswahlmöglichkeiten. Der Betrieb eines solchen Systems ist jedoch aufgrund der vielen Freiheitsgrade und der unstrukturierten Umgebung, in der es ausgeführt wird, eine Herausforderung.

Allgemeine Systemzusammensetzung:

Mobile Plattform
Roboter-Manipulator
Vision
Werkzeugbau

Motivation
Gegenwärtig ist die mobile Manipulation in Entwicklungs- und Forschungsumgebungen ein wichtiges Thema, und mobile Manipulatoren, entweder autonom oder teleoperiert, werden in vielen Bereichen eingesetzt, z. Im industriellen Bereich war die Implementierung von mobilen Manipulatoren jedoch begrenzt, obwohl die Anforderungen an eine intelligente und flexible Automatisierung vorhanden sind. Darüber hinaus sind die erforderlichen Technologieeinheiten (mobile Plattformen, Robotermanipulatoren, Vision und Tooling) zu einem großen Teil Standardkomponenten.

Ein Grund dafür ist, dass die produzierenden Industrien traditionell handeln und daher nur ungern Risiken eingehen, wenn sie neue Technologien einsetzen. Im Bereich der industriellen mobilen Manipulation lag das Hauptaugenmerk auf der Optimierung der einzelnen Technologien, insbesondere von Robotermanipulatoren und Werkzeugen, während Integration, Verwendung und Anwendung vernachlässigt wurden. Dies bedeutet, dass nur wenige Implementierungen mobiler Roboter in Produktionsumgebungen gemeldet wurden – z. B. und.

Komponenten
Mobile Roboterplattform
Als mobile Basis kommen sowohl klassische fahrerlose Transportsysteme als auch mobile Roboter zum Einsatz. Die Verwendung eines mobilen Roboters hat den Vorteil, dass er frei und autonom im Raum navigieren kann und so den Manipulator im Problemfall (Ziel außer Reichweite, Manipulation der aktuellen Position aus Kinematik nicht möglich, Lageänderung der Teile) bearbeitet werden, etc.) kann direkt unterstützen, anstatt es nur in eine feste Position zu transportieren. Die Manövrierfähigkeit der Plattform ist sehr wichtig. Im Gegensatz zu FTS kann ein mobiler Roboter auch jederzeit dynamisch zugewiesene Positionen anfahren. Die klassische Differentialkinematik, insbesondere in unmittelbarer Nähe von Arbeitsstationen, stößt jedoch an ihre Grenzen und der Roboter kann nur durch mehr oder weniger komplizierte Manöver bewegt werden. Die Verwendung Daher werden omnidirektionale Antriebe immer beliebter.

Speicheroptionen
Wenn der mobile Manipulator auch Objekte effizient transportieren soll, muss er mit geeigneten Lagermöglichkeiten ausgestattet sein. Diese können bei entsprechendem Design auch dazu verwendet werden, den Griff zu wechseln, ohne dass ein zweiter Arm verwendet wird. (Zum Beispiel muss eine Bierflasche, die am Verschluss aus der Box gezogen wurde, auf dem Körper geparkt und gegriffen werden, bevor sie eingefüllt werden kann). Größere Lagermöglichkeiten machen die Arbeit des Roboters grundsätzlich effizienter, erschweren aber auch die Navigation im Fahrzeug.

Manipulatorarm
Dies kann sowohl ein Industrieroboter als auch ein speziell entwickelter Roboterarm sein. Mit einer Auswahl von kleinen und leichten Roboterarmen, die jetzt im Handel erhältlich sind, ist der Einsatz von selbst entwickelten Armen deutlich zurückgegangen. (Siehe auch: Flexibler Manipulatorarm)

Greifer
Der Endeffektor muss entsprechend dem zu manipulierenden Element ausgewählt werden.Anthropomorphe Greifer mit mehreren beweglichen Fingern sind zunehmend verfügbar und werden hauptsächlich in der Forschung eingesetzt.

Bildverarbeitung
Wenn der Roboter Teile in der Arbeitsumgebung manipulieren soll, ist fast immer ein Bildverarbeitungssystem erforderlich. Wenn nur feststehende Armbewegungen ausgeführt werden sollen, muss mindestens der Versatz zwischen der aktuellen und der während des Trainings verwendeten Plattformposition bestimmt und berücksichtigt werden. Um die Aufgaben des menschlichen Personals zu übernehmen, muss der Roboter auch mehr oder weniger ungeordnete Teile (auch Griff in der Box genannt) oder variable Lagerorte bewältigen.

Koordinierung der Kontrolle
Die einzelnen Steuerungen von mobilen Robotern und Roboterarmen sind seit Jahrzehnten im Einsatz und sind gut entwickelt. Bei der Kombination beider Systeme treten jedoch sehr viele mögliche Fehler- und Problemfälle auf, die es erforderlich machen, eine zusätzliche koordinierende Steuerung hinzuzufügen. Dies sollte vor allem eigenständig Lösungen finden, wenn die geordnete Manipulation nicht durchgeführt werden kann, dies aber aus einer anderen Pose möglich wäre. Es ist hilfreich, das gesamte System als geschlossene kinematische Kette zu steuern, was aufgrund der hohen Redundanz bei der Implementierung äußerst schwierig zu implementieren ist.

Sicherheitssystem
Grundsätzlich können die Sicherheitseinrichtungen, die für stationäre Manipulatorarme oder normale autonome Fahrzeuge verwendet werden, auch für mobile Manipulatoren verwendet werden. Wenn jedoch ein mobiler Manipulator den Arbeitsbereich mit Personen oder zumindest anderen Fahrzeugen teilt, unterliegt das Sicherheitssystem völlig neuen und sehr hohen Anforderungen, da viele mögliche gefährliche Situationen auftreten können.

Vorteile und Nachteile
Bei der Kombination von mobilen Roboterplattformen mit Roboterarmen sind die daraus resultierenden Vor- und Nachteile größer als die Summe ihrer jeweiligen Teile.

Vorteile:

Der Funktionsumfang und die möglichen Anwendungen sind sprunghaft.
Das gesamte Robotersystem wird wesentlich unabhängiger von unterstützenden Systemen (Be- und Entladestationen, Flurförderzeugen, Transfereinrichtungen, …) und kann dadurch zumindest theoretisch günstiger werden.
Mobile Manipulatoren ermöglichen es auch, komplexere körperliche Aktivitäten zu automatisieren, die zuvor nur von Menschen ausgeführt werden konnten und oft zu gesundheitlichen Problemen aufgrund von körperlicher Betätigung führen.
Das Gesamtsystem kann viel flexibler auf Ungenauigkeiten und Abweichungen reagieren, indem es beispielsweise die Basis des Arms verfolgt, wenn ein Objekt nicht direkt zugänglich ist.

Nachteil:

Aufgrund der Anforderungen beider Komponenten stören sich diese häufig:
Der Arm benötigt eine große stabile Basis, um effizient arbeiten zu können. Die Plattform sollte jedoch klein und leicht sein, um effizient navigieren zu können.
Je kürzer die Zykluszeiten der Plattform sind, desto schneller muss sie fahren und die weniger genauen Zielpositionen werden erreicht. Je ungenauer aber die Ausgangsposition des Arms bekannt ist, desto länger sind aufgrund der erforderlichen Korrekturen seine Zykluszeiten.
Um die Lebensdauer einer batteriebetriebenen Plattform zu erhöhen, sollten das Gesamtgewicht und der Stromverbrauch minimiert werden. Ein Roboterarm arbeitet jedoch umso effizienter, je mehr Funktionen (und damit meist auch Zusatzkomponenten) er kombiniert.
Durch die ständige Veränderung der Arbeitsumgebung des Armes sind viele bisher eingesetzte Hilfskonstruktionen (Teileversorgung mit relativ zum Arm definierter Endlage, unveränderliche Übergabepositionen für Bauteile, definierte Beleuchtung usw.) nicht mehr oder nur sehr schwer möglich benutzen.
Darüber hinaus sind viele mobile Manipulatoren nicht flexibel genug, um für sich schnell ändernde Aufgaben verwendet zu werden. Dies ist eine der größten Hemmungen für eine weit verbreitete Verwendung auch in kleinen und mittleren Unternehmen.
Im Umgang mit Menschen entstehen völlig neue Gefahrensituationen, die erhöhte Anforderungen an die Sicherheitstechnik stellen und den Anteil durchsetzbarer Lösungen gegenüber den bereits technisch realisierbaren Lösungen stark einschränken.
Derzeit gibt es keine vollständig kompatiblen Standards, Richtlinien oder Designvorschläge für diesen Robotertyp, so dass es schwierig ist, die möglichen rechtlichen Folgen von Verletzungen oder Schäden vorherzusagen.
Mit der erhöhten Anzahl von Optionen sind auch unverhältnismäßig höhere Anforderungen an die Steuerung des Gesamtsystems verbunden, insbesondere hinsichtlich der autonomen Fehlerbehandlung. Dies erhöht auch das Risiko von Maschinenausfällen.

Anwendungsbereiche
Die möglichen Einsatzfelder von mobilen Manipulatoren sind vielfältig und derzeit nicht vollständig absehbar. Einige bekannte Anwendungen sind:

Hauslieferdienste
Angeführt von der weit verbreiteten Anwendung von Bier werden vorwiegend in Forschungsprojekten im Bereich der Servicerobotik Aufgaben zu Demonstrationszwecken eingesetzt, die auch in Privathaushalten auftreten und dementsprechend in den Medien wirksam sind. Die wissenschaftliche Herausforderung bei diesen Aufgaben ist in der Regel erheblich höher als der erwartete wirtschaftliche Nutzen.

Pflege
Mit steigendem Anteil älterer und abhängiger Menschen steigt auch der Bedarf an Krankenschwestern. Es wird erwartet, dass sich der Anteil der pflegebedürftigen Menschen bis 2050 im Verhältnis zur Zahl der erwerbstätigen Personen verdreifachen wird. Daher wurde in verschiedenen Forschungsprojekten, vor allem in Japan, hart daran gearbeitet, Roboter zu pflegen.

Kommissionierung
Derzeit sind Entwicklungsprojekte im Gange, um mobile Manipulatoren bei der Kommissionierung schwerer oder unhandlicher Komponenten einzusetzen. Es werden Fehler, die zu hohen Folgekosten führen können, vermieden. Darüber hinaus werden menschliche Arbeitskräfte von langfristig ungesunden Aufgaben befreit, die mit zunehmendem Durchschnittsalter der Belegschaft immer relevanter werden.

Zeitleiste

Der letzte Stand der Technik
Ein aktuelles Beispiel ist der mobile Manipulator „Little Helper“ aus der Produktionsabteilung der Universität Aalborg.