Online motion planning for dual arm industrial robots

Abstract

The trend toward consumer products of ever-increasing individuality poses several challenges for the domain of manufacturing automation. One of these challenges relates to the flexibility of devices used in industrial automation. In classical low-variability and high-throughput automation, plants could be designed and financed with several years of constant uptime in mind. In contrast, automated manufacturing of more and more individualized goods requires adapted manufacturing processes with shorter cycles and more flexible automation equipment. The higher variability and shorter life-cycle of manufactured goods often entails an uncertainty that makes investment in highly-specialized but inflexible automation equipment unprofitable. This creates a growing need for more flexible equipment that can be reused when the produced goods or parts of the production process change. Against this backdrop, the field of collaborative robotics has received increased interest and development activity over the past years. These robots can work in close proximity to humans and do not need to be fenced off in dedicated safety areas, thus enabling a more flexible use of the equipment. The idea of flexibility is taken further in this context by the development of dual-arm robots that mimic the morphology of the human upper body with two arms mounted on one common body. While these devices potentially offer increased flexibility and can work on a set of tasks otherwise reserved for humans (e.g., dual-arm handling, parallel work with both arms) the close proximity of the arms brings about new problems in the application of these robots. Using available programming methods for creating collision-free and coordinated motions for dual-arm robots is often complex and leads to long application times, which takes away a considerable part of the added flexibility introduced by dual-arm robots. To enable users to leverage the potential flexibility of industrial dual-arm robots more easily, this work develops a coordinated motion planner and associated control infrastructure for dual-arm industrial robots. Together, these components relieve the programmer of the responsibility to prevent arm collisions by specifying an exact temporal synchronization for both arms. Instead, collision-free and coordinated motions are automatically planned and executed based on a geometrical model. Moreover, it can serve as an application basis for more high-level planners for dual-arm industrial robots. The proposed planner and control architecture are implemented and evaluated on a real dual-arm robot.

Der Trend zu einer immer weitergehenden Individualisierung von Endkundenprodukten stellt die Domäne der Fertigungsautomatisierung vor eine Reihe von Herausforderungen. Eine dieser Herausforderungen betrifft die notwendige Flexibilität der eingesetzten Fertigungsmittel. Konnte eine automatisierte Fertigungsanlage in herkömmlicher Fertigung noch auf mehrere Jahre im Dauerlauf hin entworfen, projektiert und finanziert werden, so erfordert die Fertigung kundenindividueller Produkte eine vielfach erhöhte Variantenvielfalt und auf diese angepasste, kurzzyklische und flexible Fertigungsprozesse. Mit den geforderten geringeren Einzelstückzahlen und kürzeren Produktlaufzeiten geht eine Unsicherheit einher, die den Einsatz von Investitionsmitteln für hochspezialisierte Anlagen zunehmend unrentabel macht. Die eingesetzten Fertigungsmittel müssen deshalb bei Änderungen oder einem Wechsel des gefertigten Produkts möglichst flexibel weiterverwendbar sein. Vor diesem Hintergrund hat die kollaborative Industrierobotik, bei der Roboter und Mensch auf engem Raum und ohne Schutzzaun zusammenarbeiten, in den letzten Jahren einen Boom erfahren. In diesem Rahmen wurde auch die Entwicklung zweiarmiger Roboter vorangetrieben. Geräte von diesem Typ vereinen zwei Roboterarme in humanoider Anordnung an einem Oberkörper und decken dadurch potenziell eine Palette von Fähigkeiten ab, die bisher nur bei menschlichen Mitarbeitern vorhanden ist (z.B. zweiarmiges Handling, schnellere Arbeitsausführung durch Parallelarbeit). Gleichzeitig bringt die enge Anordnung der beiden Arme Probleme bei der Geräteapplikation mit sich, die die Vorteile der gesteigerten Flexibilität in vielen Fällen wieder zunichtemachen. Mit herkömmlichen Programmierverfahren ist es aufgrund der nah aneinander liegen Arme komplex und zeitaufwendig, koordinierte und kollisionsfreie Bewegungen zu programmieren. Um die Applikation zweiarmiger Industrieroboter zu erleichtern und die flexible Anwendbarkeit derartiger Geräte zu sichern, entwickelt die vorliegende Arbeit einen Bewegungsplaner und eine zugehörige Steuerungsarchitektur für Zweiarmroboter. Gemeinsam entlasten diese den menschlichen Programmierer von der Pflicht, die Kollisionsfreiheit auf Basis einer exakt spezifizierten zeitlichen Synchronisation der Arme sicherzustellen und führen dadurch zu einer deutlichen Komplexitätsreduktion bei der Applikation zweiarmiger Industrieroboter. Darüber hinaus ermöglicht das entwickelte Steuerungskonzept den Einsatz automatisierter Planer auf höheren Abstraktionsebenen.