Entwicklung eines Steuersystems für einen Manipulatorarm

Entwicklung eines Steuersystems für einen Manipulatorarm

In diesem Dokument sind die Arbeiten und Erkenntnisse, die im Rahmen der Bachelorarbeit mit dem Titel „Entwicklung eines Steuersystems für einen Manipulatorarm“ entstanden sind, dokumentiert. Durchgeführt wurde die Arbeit von Herrn Marc Kossmann im Winter- und Frühjahrstrimester 2014 mit der Hilfe der „Wissenschaftlichen Einrichtung 4 – Daten- und Schaltungstechnik“ an der „Universität der Bundeswehr in München“ (UniBw). Betreut wurde die Bachelorarbeit von Herrn Prof. Dr.-Ing. Englberger.

Der Manipulatorarm „HD2 5-Axis Arm“ der Firma SuperDroid Robots soll später auf dem Kettenfahrzeug „Rumbler“ zum Einsatz kommen. Kommunizieren werden die beiden Teilsysteme über einen CAN-Bus1. Sie sollen sich später selbstständig in unbekannter Umgebung bewegen können und Aufgaben verrichten, wie z.B. das Öffnen von Türen oder Verändern von Gegenständen. Damit der Roboterarm seinen Teil dazu beitragen kann, muss es ihm möglich sein, Punkte anhand eines Koordinatensystems im Raum zu erreichen.
Zusätzlich ist es hilfreich, wenn man den Arm auch manuell über eine Funkfernbedienung steuern kann. Zur Bereitstellung dieser Fähigkeiten wird ein komplexes Steuersystem benötigt, dessen Entwicklung der Fokus dieser Arbeit gilt. Als besonders wichtig erachtet wurde die Stabilität und Robustheit dieser Softwareversion, die sich ohne großen Aufwand zukünftig anpassen lassen muss.

Damit der Manipulatorarm keine Verbindung mehr mit einem PC benötigt und eigenständig operieren kann, wurde er von der Wissenschaftlichen Einrichtung 4 angepasst und mit einem Mikrocontroller versehen. Wie Abbildung 0.1 zeigt, ist der Roboterarm in Bezug auf die Bewegungsmöglichkeiten und Gelenkbezeichnungen einem menschlichen Arm nachempfunden. Er kann sich um die eigene Achse drehen, Punkte im Raum ansteuern und Gegenstände mit dem Greifer erfassen.

Das Konzept zur Entwicklung des Steuersystems wurde in einer Projektarbeit ausgearbeitet. Diese wurde in Vorbereitung auf die Bachelorarbeit durchgeführt. Weil ein Großteil der Entwicklung auf diesem Konzept basiert, wird es in Abschnitt 2.4 erläutert. Es ist ein Steuersystem entwickelt worden, dass aus vier nebenläufigen Threads besteht.
 
Der StateMachine-Thread und CANControl-Thread sind ständig aktiv. Im StateMachine-Thread wird der Zustand des Arms verwaltet. Der gleichzeitig laufende CANControl-Thread regelt die CAN-Kommunikation und leitet Anfragen an den anderen Thread weiter. Zur Fernsteuerung wird der RemoteControl-Thread genutzt. Er wertet die Signale der Fernbedienung aus und steuert die Motorcontroller an. Für die Konfiguration, also das Setzen neuer Abmessungen des Arms und das Durchführen einer Kalibrierung wird der LCDControl-Thread benötigt, weil viele Benutzerkommunikationen über das LC-Display und die Taster laufen. Der detaillierte Ablauf der Threads ist im Anhang 5.4 komplett in Sequenzdiagrammen erfasst.

Die Entwicklungsarbeit wurde erfolgreich abgeschlossen. Die Erfüllung der Anforderungen an das Steuersystem wurde durch Tests bestätigt und protokolliert. Allerdings hat sich herausgestellt, dass die Genauigkeit der Bewegungen wesentlich verbessert werden muss. Dies war zwar nicht der Fokus dieser Arbeit gewesen, ist aber für die Migration mit dem Kettenfahrzeug Rumbler unerlässlich. Weiterhin sollte eine Bewegungsraumbegrenzung eingeführt werden, damit es zu keinen Beschädigungen des Roboters kommt.
_________________________
1 Controller Area Network
 
Marc Kossmann, Juni 2014