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Fallstudie: Projekt SERVAL (Fernbedienung eines Roboterarms für die Stillegung kerntechnischer Anlagen)

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Kontext: Robotik in Hochrisikozonen

In bestimmten Fällen ist es von zentraler Bedeutung, dass Roboter den Menschen ersetzen. Es handelt sich um Einsätze in Risikozonen: am Meeresgrund, im Weltall oder unter extremen Bedingungen (Klima, Topografie, Radioaktivität usw.).

Roboter für Extremeinsätze

Roboter für Extremeinsätze

Generation Robots von der Atomenergiebehörde mit der Entwicklung von Robotern für radioaktive Einsatzstandorte beauftragt

Generation Robots arbeitet deshalb seit mehreren Jahren mit der Atomenergiebehörde (CEA) zusammen, um zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen der Operatoren im Kernbereich beizutragen.

Bereits 2015 und 2016 hatte Generation Robots auf Ersuchen der CEA an der Erstellung einer Reihe von Verhaltensweisen für Szenarien wie “Inspektion”, “Manipulation radioaktiver Materialien” oder “Reaktorunfall” gearbeitet.

Mehr über das Projekt über den humanoiden Inspektions- und Sanierungsroboter im Nuklearbereich erfahren Sie aus dem nachstehenden Dokument:

Robot humanoïde d’inspection et d’assainissement en boite gants nucléaire” (in französischer Sprache)

Auszug — Diese Arbeit enthält eine Bewertung der Eignung von humanoiden Robotern für die Nuklearindustrie. Bei diesem Projekt wurde die DaRwIn-OP-Plattform mit den notwendigen Änderungen versehen, um aus ihm einen Einsatzroboter im Nuklearbereich zu machen.

Die beiden Arbeitsschwerpunkte lagen auf der Ausrüstung des Humanoiden mit einem Strahlenmessgerät und einer Steuerung der Arme über eine Deep Field-Kamera.

Die durchgeführten Tests zeigen, dass es möglich ist, mithilfe des integrierten Sensors radiologische Messungen vorzunehmen sowie einen Abstrich durchzuführen, um die Kontamination eines Gegenstands festzustellen.

Fallstudie: Projekt SERVAL (Fernbedienung eines Roboterarms für die Stillegung kerntechnischer Anlagen)

Der Roboter Darwin-OP nimmt einen Abstrich vor, um die Kontamination eines Gegenstands festzustellen

Eine weitere Untersuchung dieser Art wurde von unserem Robotik-Entwicklungsbüro GR Lab mit einem sechsbeinigen Roboter durchgeführt, dem Hexapod-Roboter PhantomX.

Hexapod-Roboter PhantomX

Neuestes Projekt der Atomenergiebehörde und Generation Robots: Fernbedienung eines Roboterarms bei der Stillegung kerntechnischer Anlagen

Bei diesem neuen Projekt (2017) ging es darum, einem entfernten Bediener die Möglichkeit zu geben, Stillegungsvorgänge durch Fernbedienung eines auf einer mobilen Plattform montierten Roboterarms vorzunehmen.

Bei diesem Projekt wurden uns drei neue Aufgaben gestellt, die drei verschiedenen Zielsetzungen entsprechen:

  • Fernbedienung: kartesische Gelenksteuerung des Roboterarms über grafische Benutzeroberfläche und 6D-Joystick
  • Sequenzen: Speicherung und Rücklesen von Bewegungsbahnen und Sequenzen komplexer Operationen
  • Überwachung: Videofeedback über Werkzeug- und Umgebungskamera, 6D-Kraftsensor, Planung am 3D-Modell

Dieses Projekt wurde in zwei Phasen unterteilt:

  • Abschnitt Hardware (Hardwarearchitektur)
  • Abschnitt Software (Softwarearchitektur)

Montage und Customisierung des Roboterarms (Abschnitt Hardware)

Roboterarm für die Stillegung nuklearer Anlagen

Wir haben einen Arm mit 6 Freiheitsgraden verwendet, der für Stillegungsoperationen notwendig ist (insbesondere Aufgaben wie das Schneiden mithilfe einer Kreissäge, die am Ende des Roboterarms montiert wurde).

Dieser Arm mit 6 Freiheitsgraden besteht aus Modulen von Schunk PRL. Welche Beweggründe waren für diese Wahl ausschlaggebend? Ein sehr hohes Leistungsgewicht (Verhältnis Masse/Leistung) gegenüber anderen branchenüblichen Roboterarmen.

Die Steuerung erfolgt per CAN-Bus, ein System, bei dem die verschiedenen Sensoren und Aktuatoren einer Roboterplattform dank eingebauter Elektronikboards miteinander kommunizieren können. Das reduziert den Verkabelungsaufwand (ein wichtiger Aspekt bei artikulierten Armen, damit die Kabel sich nicht verheddern und abreißen).

Um Hindernisse in Echtzeit zu erkennen, entwickelte unser Team ein Script, das den Wert des auf jedes Gelenk des Schunk-Arms einwirkenden Drehmoments berechnet. Wenn der Wert zu hoch ist, dann bedeutet das, dass der Arm auf ein Hindernis stößt.

Auf dieser Plattform wurden zwei Kameras installiert.

  • Eine Werkzeugkamera auf dem Roboterarm mit Steuerung von Focus, Zoom und Iris, die für die Durchführung der gestellten Aufgaben notwendig ist.
  • Eine Umgebungskamera in Kuppelbauweise, mit der der Bediener das Umfeld des mobilen Roboters beobachten kann. Diese Kamera wird an der Decke des untersuchten Raumes oder am Ende eines auf dem Roboter montierten Stabs installiert.

Neuestes Projekt der Atomenergiebehörde und Generation Robots

Hinzufügen eines Kraftsensors

Installation eines Kraftsensors, der die auf das Werkzeug ausgeübte Kraft X/Y/Z sowie die Momente MX/MY/MZ misst.

Notwendig, damit der Roboterarm seine Gesten an sein Umfeld anpassen kann (Hindernis, Art von Material usw.)

Zwei Arten von Fernbedienung wurden eingerichtet:

  • Eine grafische Oberfläche (Mensch-Maschine-Schnittstelle): Mit der Möglichkeit einer kartesischen Gelenksteuerung (Position/Geschwindigkeit) über die grafische Oberfläche.
  • Ein 6D-Joystick (mit 6 Freiheitsgraden, genau wie der Roboterarm): für kartesische Fernbedienung (Positionsbestimmung eines Punktes im Raum mithilfe eines kartesischen Koordinatensystems). Ein System des Kraftfeedbacks in Echtzeit wurde eingerichtet (haptisches System), damit der Nutzer weiß, wann er die physischen Grenzen des Roboters erreicht, die über die Schnittstelle festgelegt wurden.

Licht und Sicherheit

Der Roboter muss seine Bewegung beleuchten, deshalb wurden steuerbare Lichter am Werkzeug und an der Basis befestigt.

Mehrere Sicherheitsvorkehrungen wurden von unseren Ingenieuren installiert, darunter ein Heartbeat-System, das die konstante Verbindung zwischen dem Steuerungs-PC und dem Roboterarm überprüft. Außerdem wurde eine Not-Aus-Taste angebracht. Ein Türschalter wurde von den Endanwendern angebracht, um den Türöffnungszustand zu überprüfen (geöffnet oder geschlossen).

Erstellen der Softwarearchitektur

ROS Middleware

Die gesamte Entwicklung für dieses Projekt eines fernbedienten Arms im radioaktiven Milieu wurde mithilfe der ROS Middleware realisiert, um eine größtmögliche Modularität des Systems zu erreichen. Gleichzeitig sollen Entwicklungen beschleunigt werden, indem das vorhandene Ökosystem der Librarys eingesetzt wird.

Wenn Sie mehr über die ROS Middleware erfahren wollen, mit dem wir häufig arbeiten, werfen Sie einen Blick in unseren Artikel über dieses Thema: Was versteht man unter ROS?

Basiskommunikation

Durch die Basiskommunikation kann die Datenübertragung zwischen dem Hauptcomputer und den verschiedenen Komponenten wie den Aktuatoren, LEDs, Sensoren und anderen Elektronikkomponenten unterteilt und vereinfacht werden. Für die Kommunikation mit dem Roboterarm haben wir das Protokoll ROS_CANopen verwendet.

MoveIt ist die von ROS genutzte Standardlibrary zur Bewegungsplanung, die wir für die inverse Kinematik und die Planung von Bewegungsabläufen verwendet haben. Diese Library wurde von Willow Garage entwickelt (dem wir auch das ROS verdanken). MoveIt ist komplett in ROS integriert.

Wir haben Änderungen vorgenommen, um die Planung von schwierigen kartesischen Bewegungsabläufen zu verbessern und die Antizipation und Vermeidung von Hindernissen besser zu verwalten.

Steuerschnittstelle

Verwendung der PySide Library für die Entwicklung der grafischen Schnittstelle mit ROS Kommunikation zu sämtlichen C++ Modulen, die kritische Aspekte verwalten. PySide ist ein freies Modul, mit dem die Programmiersprache Python mit der Library Qt verknüpft werden kannQt ist eine objektorientierte API, die unter C++ entwickelt wurde und Komponenten einer grafischen Benutzeroberfläche, des Datenzugriffs, der Netzwerkverbindung usw. bietet.

  • Speichern und Auslesen von Sequenzen: Es besteht die Möglichkeit, Punkte oder Bewegungsbahnen zu speichern und erneut abzuspielen, sowie komplexe Sequenzen mit der Manipulation des Tools und des Kraftsensors zusammenzustellen.
  • Reflexmechanismen: automatische Überwachung der Werte des Kraftsensors und der Gelenke mit Auslösung von parametrierten Reflexbewegungen (Rückkehr zu einem bestimmten Zeitpunkt oder einer Distanz).

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Mobile Plattform: Roboter Husky

Die für dieses Projekt ausgewählte mobile Plattform ist der Roboter Husky, eine leistungsfähige Plattform, die sich selbst für anspruchsvolle Einsatzbedingungen eignet. Ausgerüstet mit einem leistungsstarken Fahrgestell mit Allradantrieb, kann diese Plattform schnell individuell konfiguriert werden und auch in schwierigem Gelände und unter extremen Bedingungen eingesetzt werden (Schutzfaktor IP44).

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In unserem Entwicklungsbüro GR Lab entwickeln wir innovative, maßgeschneiderte Lösungen für Profis (Roboterprojekte, künstliche Intelligenz usw.) wie bei EDF.

Wenn Sie eine Projektidee haben, stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung und unterstützen Sie bei der Ausarbeitung. Bei uns machen Service und Software den Unterschied!

Kontaktieren Sie uns unter contact@generationrobots.com oder per Telefon unter 05 56 39 37 05.