KAIRO – modularer schlangenartiger Inspektionsroboter

In der Abteilung Interaktive Diagnose- und Servicesysteme (IDS) werden bereits seit über 15 Jahren modulare Serviceroboter zur Inspektion entwickelt. Der schlangenartige Roboter KAIRO 3 (Karlsruher Autonomer Inspektionsroboter) wurde, aufbauend auf seinen Vorgängern KAIRO (1997), Makro (1999), MakroPLUS (2004) und KAIRO II (2008), entwickelt, um Inspektions- und Wartungsarbeiten besonders in für Menschen schwer zugänglichen Bereichen durchzuführen. Diese Bereiche sind zum Beispiel Kanäle, Wartungsschächte mit schmalen Öffnungen oder auch Gefahrengebiete. Durch seinen modularen und flexiblen Aufbau eignet sich KAIRO 3 für eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten. Dazu gehören auch Aufgaben wie das Suchen nach Sprengstoffen, das Inspizieren von engen Wartungs- und Versorgungstunneln sowie Such- und Rettungseinsätze nach Katastrophen.

Modularer Hardwareaufbau

Der lineare, kettenartige Aufbau von KAIRO 3 wurde dem biologischen Vorbild von Raupen bzw. Schlangen nachempfunden. KAIRO 3 lässt sich als heterogener modularer Roboter einordnen, da er aus zwei grundsätzlich verschiedenen Arten von Modulen besteht: Antriebsmodule und Gelenkmodule. Die Antriebsmodule dienen der radgetriebenen Fortbewegung und besitzen zwei gegenüberliegende Schnittstellen zur Montage der Gelenkmodule. Jedes Gelenkmodul hat drei aktive Gelenke die jeweils im 45 Grad Winkel zueinander angeordnet sind. Um von den Motoren genügend Kraft auf die Gelenke zu übertragen, wurden spezielle Harmonic Drive Getriebestufen in die Gelenke eingebaut. Die Gelenkwinkel werden über optische Encoder gemessen, die sowohl ein inkrementellen als auch einen absoluten Wert liefern.

 

Biologisch-motivierte Fortbewegung

Eine typische Konfiguration von KAIRO 3 besteht aus sechs Antriebsmodulen und fünf dazwischenliegenden Gelenkmodulen. Gewicht und Länge eines einzelnen Antriebsmoduls betragen 4,5 kg und 146 mm. Die entsprechenden Werte eines Gelenkmoduls sind 4 kg und 184 mm. Daraus resultieren für die oben genannte Konfiguration eine Gesamtlänge von ca. 1,80 m und ein Gesamtgewicht von 47 kg. Durch die daraus folgende große Anzahl von Freiheitsgraden (KAIRO 3 besitzt 27 DOF) wird ein solches Robotersystem auch als hyperredundant bezeichnet. Dadurch, dass jeder einzelne Freiheitsgrad angetrieben wird, ist der Roboter außerdem als aktives System klassifiziert. Die Antriebe und Kontrolleinheiten sind in den einzelnen Modulen integriert und ermöglichen durch die kompakte Bauweise den Transport von Sensoren oder Gegenständen in den Antriebsmodulen.

Systemarchitektur und adaptive Steuerung

Die hierarchisch aufgebaute Steuerungssoftware besteht aus den drei Hauptkomponenten Base Control, Motion Execution und Manoeuvre Control und ist im Roboter Framework MCA2 (Modular Controller Architecture) implementiert. Die dezentrale Base Control dient zur Steuerung der Motoren und zum Einlesen der Sensoren und befindet sich auf einem UCoM (Universal Controller Module) in jedem Modul des Roboters. Das UCoM ist eine eigen entwickelte Platine bestehend aus einem DSP und einem FPGA. Zusätzlich zur Motorsteuerung befindet sich auch eine Einheit zur Messung der Motorströme auf dieser Platine. Zur Kommunikation zwischen den einzelnen Modulen wird ein CAN-BUS verwendet.

KAIRO 3 Steuerungsarchitektur

Im Gegensatz zur Base Control, wird die Adaptive Control auf einem zentralen Steuer-Rechner ausgeführt und schickt die Steuerbefehle über den CAN-BUS an die einzelnen Module. Die Adaptive Control besteht aus der Manoeuvre Control und der Motion Execution, die sich an eine variable Anzahl von Modulen anpassen lässt und zur Steuerung des gesamten Robotersystems dient. Die Motion Execution verarbeitet die Sensordaten und berechnet daraus an Hand der Roboter Kinematik die gewünschten Gelenkwinkel. Auf der obersten Ebene befindet sich die Manoeuvre Control zu Planung und Ausführung von komplexen Bewegungen von KAIRO 3 mittels einer virtuellen Schiene. Neben einer Menge an elementaren Manövern wie zum Beispiel Normal Drive, Inspection und State Scripted wurden auch zwei Arten biologisch-motivierter Fortbewegung, Omega und Caterpillar Locomotion umgesetzt. Jedes dieser Manöver ist durch eine Menge von Zuständen in einem hierarchischen endlichen Automaten realisiert.

Ansprechpartner

M.Sc. Marvin Grosse Besselmann

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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Werdegang

Marvin Große Besselmann studierte von 2009 bis 2012 Informatik an der Fachhochschule Lübeck. Der Schwerpunkt seines Bachelor Studiums lag dabei im Bereich der Softwaretechnik.

In seinem anschließendem Master der Informatik an der Universität zu Lübeck von 2012 bis 2016 vertiefte er sein Studium mit den Schwerpunkten Robotik und Automation.

Seine Masterarbeit mit dem Titel "Visuelle Lokalisierung und Kartierung in logistischen Umgebungen" erstellte er am Institut für Technische Informatik (ITI) der Universität zu Lübeck.

Seit September 2016 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Interaktive Diagnose- und Servicesysteme (IDS) angestellt.

Publikationen

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Telefon: +49 721 9654-206
E-Mail: GrosseBesselmann@dont-want-spam.fzi.de

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