RAUMFAHRT- OBOTIK: SIMULATION UND ANWENDUNG · 2 - Bernd Schäfer 12 Jun 2007 •...

Bernd Schäfer12 Jun 2007

RAUMFAHRT-ROBOTIK: SIMULATION UND ANWENDUNG

Bernd SchäferDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR Oberpfaffenhofen

Institut für Robotik und Mechatronik (RM)D-82234 Wessling

Workshop ‘Virtuelle Produktentwicklung für Raumfahrtsysteme‘12. Juni 2007, DLR Köln-Porz

2 - Bernd Schäfer12 Jun 2007

• Bewegungssimulation Freiflieger mit Robotik• Bahnplanung für Einsatz eines Manipulators• Satelliten-Einfangen (TECSAS, DEOS)• Telepräsenz: semi-autonome Betriebsmoden• Rapid Prototyping für RF-Robotik Einsatz• Planetare Rover: Mobilität, Stabilität, raues Gelände• Grundlegende Untersuchungen zu RF-Robotik• Szenarien-Entwicklung: insb. für mobile Exploration

Themen für RF-Robotik


Telepräsenz (augmented) : Haptisches & visuelles Feedback in der VR

M o v i e


On-Orbit Servicing: Capturing Strategien

M o v i e


Dynamik: Interaktion Satellit - Manipulator

M o v i e


Planetare Rover: Mobilität & Stabilität

M o v i e


M o v i e


DLR 4-Finger Hand: A Multibody System 14 DOF

M o v i e


WERKZEUGE für

1. Modellbildung & Simulation • Entwurf: geometrisch / kinematisch • Dynamisches Verhalten (Robot, Mobilität)

2. Optimierung: • Geometrie (Kompaktheit), • Kinematik (Manipulator, Rover), • Dynamik (Energie, µ-g, …)

3. Datenbasis: aus CAD, Interface-S/W4. Visualisierung & Animation


Eingesetzte WERKZEUGE

1. Kommerziell • Simpack • Matlab / Simulink • Modelica / Dymola • ProEngineer, CATIA

2. Eigenentwicklung • Assembly Panel (Matlab basierend) • Telepräsenz-Aufgaben • Interfaces zu

- Eingabegeräte: 3D/6D Mouse, haptisch, … - Matlab, Simpack, Modelica, …

12 Jun 2007

GraphischesRendering

HaptischesRendering

GraphischesAusgabegerät

HaptischesInterface

Mensch

1kHz

Bildinformation (Virtual Design 2)

Lage des Endeffektors

Kräfte

30Hz

Obj

ektla

ge z.B. Kamera-position

Modelle

Haptisches und visuelles Feedback in der VR für Montageuntersuchung und Training


Haptische Interfaces

Mechanische Ansätze• Leichtbau

- geringer Trägheit- erhöhter Sicherheit- Performanzgewinn

• geringe Reibung und Elastizität• Entkopplung der Achsen

Regelungstechnische Ansätze• Reduktion der Rest-Trägheit:

- Kraftregelung- interne Sensorik- hochdynamischen Antgrieben

• Schwerkraftkompensation• Inverse Modelle (computed torque)


Haptisches Rendering

Voxmap-PointShell™ (VPS) AlgorithmusZur schnellen Kollisionserkennung

Eigenschaften:• Konstante Berechnungszeit zur Kollisionserkennung während der Simulation• Berechnungszeit ist unabhängig von der Komplexität der Szene• Abtastraten von 1kHz für Kollisionserkennung und Kraftberechnug realisiert


OOS On-Orbit Servicing :Satellite Capturing

• Dynamik & Regelung (Mehrkörperdynamik, …) • Bahnplanung (t min, E min, …)• Kollisionsvermeidung• Risiko Detektion Design Stopper• Data Basis: I/F durch Intl. Kooperation (Japan, …)


TECSAS / DEOS: Satellite Capture

Rendezvous & Docking, Capturing,

Dynamics Interaction between two satellites

and manipulator in between

Technology Satellite for Demonstration and Verification of

Space Systems


Semi-Autonomous Grasping of Non-Cooperative Target


Software Description


Simulationsumgebung - Control Panel (s. nachfolgende Folie):Die 'control panel features' sind folgende:

1. The spacemouse can be used to control the chaser satellite base, thetarget satellite, the robot end-effector or a pointing hand, used to definethe end position of the end-effector for the point-to-point motionplanner;

2. The path planner can plan point-to-point and target-grasp motions;3. The target rotational motion is computer on-line and can be regulated

on the panel4. Two cameras can be selected by the used for viewing: a world view

and a view from a camera on the end-effector)


Satellite Capturing: OLEV - ConeXpress


Matlab based with Contact Dynamics modules (own & Simpack)

M o v i e


Grundlegende Untersuchungenzu RF-Robotik

• Manipulatorauslegung, Rapid Prototyping • Risiko Detektion Design Stopper• Geometrie & Kinematik (missionspezifisch)• Dynamik, Interaktion mit Satelliten & Rover• Inverse Kinematik, Inverse Dynamik• Redundanz: Erhöhung der Geschicklichkeit

und Ausfallsicherheit


Manipulator Assembly Panel (Matlab/Simulink)Rapid Prototyping


basic joint roll-pitch (or yaw) joint

yaw-pitch joint wrist joint

roll

roll

pitch pitch

roll

roll

symmetrical link asymmetrical linkroll axes dointersect

roll axes doNot intersect

Bibliothek (CAD-based design)


Symmetrical robot design components

Asymmetrical robot design components


Dat

abas

eM

odel

ing

Sim

ulat

ion

Modelica Classes CAD Files MechanicalInformations

Assembly Panel

VRML World

InverseKinematics

ModelicaRobot Model

C-Code /model.exe

ModelSimulation

SimpackRobot Model

SimpackRobot Graphics

Robot Online Control (Space Mouse) Inverse KinematicsMonitoringAnimation (Virtual Reality Toolbox)

Robot Online Control (Space Mouse) Inverse KinematicsModel Simulation Animation

DYM

OLA

/ D

YMO

SIM

MA

TLA

B

SIM

PAC

K

TrajectoriesController StructuresInverse KinematicsRobot Design Optimization

DDE

Database, Modeling and Simulation Environment


M o v i e

Manipulator Deploymentfrom Stowed Configuration


Visualisation of Joint (Motor) Torques

M o v i e


( ) ( )L T

LagrangeMinimum NebenMultiplier bedingung

f− −

= + ⋅q λ h q

iq

1q

A

BB* Redundant Robot Redundant Robot respresp. .

KinematicsKinematics

1

6 1 7 16 7

†

(7 6)

: ( )( ) ( )

( )

JacobiMatrix

PseudoInverse

IK −

× × −×

−×

=∂

= ⋅ = ⋅∂

→ = ⋅

q f xf qx q J q q

q

q J q x

: ( )FK =x f q


Constraints:• A B

AdesB

• Angular momentumconstant (non-holonomic)

• Linear Momentumconstant

Ang.Mom. = 0Lin.Mom. = 0

MMP

Free-flyer


• Velocities• Accelerations• Reference Configuration

Optimization Criteria:

• Forces• Motor Torques

,i refqiqiqiF

iT

, base baseF T

• Satellite Basis:Forces & Torques

micro gravity

Inverse Kinetics !


M o v i e

Example of a Redundant Mobile System, Modeling and Simulating the Kinematics and Dynamics:3-Legged Mobile System, resembling ESA‘s EUROBOT for ISS


EUR

OB

OT

M o v i e


BEE

TLE

–Pl

anet

ary

Wal

king

Rob

ot M o v i e


Planetare Exploration:Mobilität und Geschicklichkeit

• Einsatzszenarien entwickeln (Experimente)• Mobilität und Stabilität:

Missionserfolg, Sicherheit• Interaktion Rad – Boden:

raues Gelände, Terramechanik• Geometrie und Kinematik• Risiko Detektion Design Stopper


Aurora-Programm der ESA:ExoMars > 2013

Lokomotion: gehen, hüpfen, fliegen, …, fahren (Räder, Ketten)

Biologisch inspiriert: Krabbler

ExoMarsSoleroNanokhod

MER

Beetle


Manipulation und Geschicklichkeit

4-Finger Hand:DLR-HIT / Fa. Schunk

anthropomorphes, universelles

Greifwerkzeug


Integration zu einem hochflexiblen Gesamtsystem

JUSTIN: 2-Arm Torso Robonaut

LBR-3:13 kg Gewicht15 kg Payload150 Watt 1.20 m lang

Rovonaut

Multisensorieller Kopf: Stereokamera, Laserscanner, Lichtschnittprojektor (Laser)


DLR

2-A

rmTo

rso

= Ju

stin

M o v i e


Mov

ie: R

ovon

aut

M o v i e


M o v i e

Planetary Rover - ExoMars: Modeling and Simulating Contact Dynamics during Motion


Planetary Rover,ExoMars: Modeling and SimulatingContactDynamicsbased uponCAD grid models


Zusammenhang Modelica ↔ Dymola

Dymola(Kommerzielles Programm von Dynasim):Graphischer Editor für Modelica Modelle

Dymola: Übersetzung von Modelicanach C (Symbolische Transformationen), + simulieren + plotten, Animation

Modelica(freie Spezifikation):Textuelles Format umModell + Graphik + Animation von Komponenten zu definieren


Modelica is a free modeling language for physical system models consisting of components from different engineering domains (www.Modelica.org/library.html). A powerful commercial tool (Dymola) is available for model editing and simulations. Modelica is eligible for object oriented modeling of physical systems consisting of components from different engineering domains. Many free and commercial Modelica libraries are available (multi body, flexible bodies, optimization, control design, amongst many others). Incorporation in Simulink and download to a hardware platform for real time execution is easily to be accomplished (with Dymolas Simulinkexport). The latter is meaningful since the tool chain for real time implementation of the model based controller is ready.

Moreover, the use of Modelica is pushed by the 2006 decision of DassaultSystèmes (DS) to select the open standard, Modelica, to be at the core of DS’open strategy. DS, a world leader in 3D and Product Lifecycle Management (PLM) solutions, presented its CATIA Systems strategy, putting embedded systems modeling at the heart of CATIA. CATIA Systems is based on behavior-driven simulation using Modelica and Dymola.

MOPS (Multi-Objective Parameter Synthesis) for both, robust controller designs and for parameter optimization, developed at DLR. Realistic (control law) design is a multidisciplinary task involving the simultaneous minimisation of many design criteria in the presence of various constraints. Typically, the different criteria and constraints are evaluated using computational models developed for different engineering disciplines or resulting from different modelling formalisms. MOPS explicitly supports the usage of different multidisciplinary models (or multi-models) to evaluate the design criteria.

Structure of SIMPACK – MOPS and overview of process and file interfaces


Simpack – Modelica / Dymola interface


Simpack – in the concurrent engineering process

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