HyRoDyn

Hybrid Robot Dynamics

Ansprechpartner/in:
Hybrid Robot Dynamics (HyRoDyn) ist eine in C++ geschriebene analytische und modulare Software-Workbench zur Lösung von kinematischen und dynamischen Problemstellungen hochkomplexer seriell-paralleler Hybridroboter, die in den letzten Jahren an Beliebtheit gewinnen. Diese Kombination gewinnt an Vorteilen, die jedoch durch eine erhöhte Komplexität erkauft wird und erfordert daher eine sorgfältige Behandlung bei der Analyse und Regelung. Anstatt auf die numerische Lösung von kinematischen Zwangsbedingungen zurückzugreifen, bietet diese Software-Workbench einen ganzheitlichen Ansatz für den Umgang mit der Komplexität dieser Systeme durch die Wiederverwendung geschlossener Lösungen von parallelen Mechanismen, die häufig in Hybridrobotern Verwendung finden. Kinematiker sind eingeladen, einen Beitrag zu den Submechanik-bibliotheken in HyRoDyn zu leisten, damit der Katalog der unterstützten parallelen Mechanismen erweitert werden kann. Dieses Softwaretool stellt eine effiziente und fehlerfreie Alternative zur bereits vorhandenen Tools dar, die Mehrkörperprobleme in einem generischen Ansatz numerisch lösen.
Schlüsselwörter: Hybridroboter
Status: aktiv
Betriebssystem: Linux
Programmiersprachen: C++, Python, Ruby
Eigentumsrechte: Diese Software wurde vom DFKI sowie von der Arbeitsgruppe Robotik der Universität Bremen entwickelt und wird unter dieser Verantwortung weiterentwickelt. Bei Fragen und Anregungen wenden sie sich an die Ansprechpartner.
 

Softwarebeschreibung

Beispiel einer seriell-parallelen Hybridkomposition
Vertikale Bewegung eines menschenähnlichen Beins

Parallele Mechanismen werden zunehmend als modulare Subsystemeinheiten in verschiedenen Robotern und Mensch-Maschine-Schnittstellen aufgrund ihrer hervorragenden Steifigkeit, ihres Nutzlast-/Gewichtsverhältnisses und ihrer dynamischen Eigenschaften eingesetzt. Dies führt zu seriell-parallelen, hybriden Robotersystemen, die aufgrund des Vorhandenseins geschlossener Ketten schwer zu modellieren und zu regeln sind. Die meisten modellbasierten kinematischen und dynamischen Modellierungswerkzeuge lösen kinematische Zwangsbedingungen numerisch und können daher unter Geschwindigkeits- und Genauigkeitsproblemen leiden. Außerdem nutzen sie nicht die vorhandene Modularität im Roboterdesign. Darüber hinaus können solche Systeme eine variable Mobilität und verschiedene Montagemodi aufweisen und den Bewegungsgleichungen redundante Zwangsbedingungen auferlegen.  Daher ist es für Kinematiker interessant, die analytischen Lösungen bestimmter PMs der geometrischen Probleme zu untersuchen. Damit besitzen sie einen entscheidenden Vorteil gegenüber numerischen Lösungen.  Dieses domänenspezifische Wissen ist beim Entwurf modellbasierter Kinematik- und Dynamik-Software-Frameworks jedoch oft unterrepräsentiert.

Hybrid Robot Dynamics (HyRoDyn) ist eine in C++ geschriebene analytische und modulare Software-Workbench zur Lösung von kinematischen und dynamischen Problemstellungen hochkomplexer seriell-paralleler Hybridroboter. Die Grundidee von HyRoDyn ist es, geschlossene Lösungen der Zwangsbedingungen in einer konfigurierbaren Mechanikbibliothek zu speichern. Darin sind Mechanismen durch ihren Typ identifiziert (z.B. 1-RRPR, 2SPU+1U, 2SPRRR+1U, 6-UPS).  Basierend auf den in einem Hybridroboter definierten Submechanismen kann HyRoDyn die Loop Closure-Funktion des Gesamtsystems modular und automatisiert zusammenstellen. Die daraus resultierende Jacobi-Matrix hat eine blockdiagonale Struktur, die bei der Berechnung verschiedener Vorwärts- und Invers-Kinematik- und Dynamikalgorithmen genutzt werden kann. HyRoDyn ist in C++ implementiert und verwendet rekursive O(n) Mehrkörperdynamikalgorithmen für Systeme mit Baumstruktur aus der Rigid Body Dynamics Library (RBDL), basierend auf den Featherstone-Algorithmen. Derzeit sind in den Submechanikbibliotheken geschlossene Lösungen für Mechanismen wie 1-RRPR, 2-SPU+1U, 2-SPRR+1U, 2-SPRR+1U, 6-RUS, 6-UPS Parallelogrammketten verfügbar und HyRoDyn kann verwendet werden, um die Kinematik und Dynamik von beliebigen seriell-parallelen Hybridrobotern, die aus diesen Submechanikmodulen bestehen, analytisch zu lösen. Die Ansteuerung des Roboters kann dabei beliebig gewählt werden.

Die Eingabe in HyRoDyn erfolgt über eine SMURF-Datei, die mit einem Blenderbasierten visuellen Editor namens Phobos erzeugt werden kann. Der Einsatz des visuellen Editors macht es einfach, die parallelen Submechanikmodule in einem Roboter zu annotieren und zu hochkomplexen Robotermodellen zusammenzusetzen. Darüber hinaus wurde HyRoDyn in die Robot Construction Kit (RoCK)-Middleware als Orogenkomponente integriert, die sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsmappings zwischen dem unabhängigen Gelenkraum des Roboters und seinem Gelenkraum auf Positions-, Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Kraftniveau ermöglicht. Die HyRoDyn-Orogen-Komponente kann sowohl für die Simulation als auch für die Echtzeit-Steuerung komplexer serienparalleler hybrider Robotersysteme eingesetzt werden.

Referenzen

Anwendungsfelder: Weltraumrobotik
Logistik, Produktion und Consumer
Assistenz- und Rehabilitationssysteme
Verwandte Projekte: Recupera REHA
Ganzkörper Exoskelett für die robotische Oberkörper-Assistenz (09.2014- 12.2017)
D-Rock
Modelle, Verfahren und Werkzeuge für die Modelbasierte Softwareentwicklung von Robotern (06.2015- 05.2018)
Q-Rock
Modellbasierte Bestimmung und Validierung von wiederverwendbaren und übertragbaren Roboterverhalten (08.2018- 07.2021)
Fördergeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Förderkennzeichen: Recupera-Reha: 01-IM-14006A D-RoCK: 01IW15001 Q-RoCK: FKZ 01IW18003

Videos

D-Rock: HyRoDyn Phobos XEC

Workflow vom Modellieren über das Simulieren bis zur Echtzeitkontrolle bei einer seriell-parallelen Hybridkomposition eines menschenähnlichen Beins.

D-Rock: HyRoDyn - Inverse Dynamik basierend auf einer unabhängigen Gelenkraumbewegung

Publikationen

1. An Analytical and Modular Software Workbench for Solving Kinematics and Dynamics of Series-Parallel Hybrid Robots
Shivesh Kumar, Andreas Mueller
In 43rd Mechanisms and Robotics Conference, Parts A and B, (IDETC/CIE-2019), 18.8.-21.8.2019, Anaheim, CA, ASME, Oct/2019.

2. HyRoDyn: A Modular Software Framework for Solving Analytical Kinematics and Dynamics of Series-Parallel Hybrid Robots
Shivesh Kumar, Kai Alexander von Szadkowski, Andreas Müller, Frank Kirchner
In Poster at 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, (IROS-2018), 01.10.-05.10.2018, Madrid, IEEE/RSJ, series IROS Poster proceedings, pages 1-1, Oct/2018.

© DFKI GmbH
zuletzt geändert am 21.10.2019
nach oben