Dual-Loop Optimale Steuerung eines Robotermanipulators und seine Anwendung in der Lagerautomatisierung

Ziel dieser Arbeit ist es, die nächste Generation von koordinierten optimalen Planungs- und Steuerungsschemata für reale robotische Anwendungen zu entwickeln, mit kosteneffektiven intelligenten Robotern, die die anstehenden Aufgaben sicher und robust ausführen können. Dieser Artikel präsentiert ein Dual-Loop optimales hierarchisches Steuerungsschema für robotische Manipulatoren, das aus äußeren und inneren Schleifen besteht. Die äußere kinematische Steuerungsschleife im Betriebsraum liefert ein Gelenkgeschwindigkeitsreferenzsignal an die innere. Die kinematische Steuerung wird als geschlossene Schleife für optimale Steuerung zur Trajektoriengenerierung formuliert, wobei das gewünschte Ziel (möglicherweise zeitvariabel) durch Handeln auf das Feedback des tatsächlichen Zustands des Roboters erreicht wird. Die kinematische Steuerung wird mithilfe einer geschlossenen analytischen Lösung der Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) Gleichung gewonnen. Die vorgeschlagene Methodologie definiert die Aufgabe in Bezug auf die integrale Kostenfunktion, was zu einer global optimalen Lösung führt. Die innere dynamische Steuerungsschleife besteht aus einem auf einem neuronalen Netzwerk (NN) basierenden adaptiven Kritiker (AC) optimalen Verfolgungssteuerungsschema. Der online NN-Approximator-basierte dynamische Controller lernt die Kostenfunktion für den unendlichen Horizont, die mit den Fehlervariablen der inneren Schleife in kontinuierlicher Zeit verbunden ist, und berechnet die entsprechende optimale Steuerungseingabe, um die Kostenfunktion zeitlich vorwärts zu minimieren. Die Stabilität und Leistung des vorgeschlagenen Steuerungsschemas wird theoretisch über den Lyapunov-Ansatz sowie experimentell am 7-DOF Barrett WAM-Roboter-Manipulator überprüft. Die Lageranwendungen des vorgeschlagenen Dual-Loop-Steuerungsschemas wurden experimentell in einer genauen Lagerumgebung demonstriert. Hinweis für Praktiker — Dieser Artikel wurde durch unsere bisherigen Erfahrungen in den Amazon Robotics Challenge (ARC) Wettbewerben als Teilnehmer motiviert. Obwohl die wesentlichen Lehren aus diesen Veranstaltungen viele wichtige Probleme in Bezug auf die Lagerautomatisierung sowohl aus der robotischen Sicht als auch den Griffaspekten aufzeigten, könnten die Anwendungsaspekte der Regelungstechnik zur Lösung dieser realen Probleme der heutigen hochautomatisierten Gesellschaft erheblich zugutekommen. Die Absicht dieses Artikels ist es, diese Situation zu adressieren, indem ein kosteneffektives Steuerungsschema für Robotermanipulatoren entworfen wird, indem Robotermanipulationstrajektorien in der äußeren Schleife sowie die Aktuatoreneingabe in der inneren Schleife optimiert werden. Daher schlagen wir ein Dual-Loop optimales Steuerungsschema für robotische Manipulationen unter einem kosteneffektiven Rahmen mit garantierter Stabilitätsnachweis via dem Lyapunov-Ansatz vor. Dies führt zu reibungsloseren Trajektorien mit kosteneffektiven Aktuatoreneingaben als die Methoden des Standes der Technik. Wir glauben, dass diese Arbeit sowohl für akademische als auch industrielle Forschungszwecke vorteilhaft sein kann, um fortschrittlichere und optimierte Lösungen in diesem Bereich zu entwerfen.