Rikotuspuomin mallipohjainen törmäyksenestojärjestelmä

Abstract

Törmäyksen estäminen on robotiikassa hyvin tutkittu aihe, ja manipulaattoreille on kehitetty siihen viime vuosikymmeninä useita erilaisia menetelmiä. Törmäyksenestojärjestelmät ovat erityisen tärkeitä autonomisissa manipulaattoreissa, mutta niillä on merkittäviä hyötyjä myös operaattorin ohjaamissa järjestelmissä. Ne helpottavat operaattorin työskentelyä, lisäävät turvallisuutta ja parantavat tuottavuutta. Rikotuspuomi on manipulaattori, jota käytetään usein vaativissa ympäristöissä, mikä asettaa myös törmäyksenestojärjestelmälle rajoitteita ja vaatimuksia. Järjestelmän on oltava luotettava, eikä sen toiminta voi perustua herkästi vioittuviin antureihin.

Tässä diplomityössä suunniteltiin ja toteutettiin mallipohjainen törmäyksenestojärjestelmä rikotuspuomille. Järjestelmän toiminta perustuu puomista ja ympäristöstä muodostettaviin malleihin, joiden välillä suoritetaan reaaliaikaista etäisyyslaskentaa. Puomimallin asentoa päivitetään puomista saatavien nivelkulmatietojen avulla. Ympäristömallia sen sijaan ei päivitetä alustuksen jälkeen, koska rikotuspuomin ympäristö on esteiden osalta yleensä lähes muuttumaton. Kun puomi lähestyy ympäristön estettä, järjestelmä rajoittaa sen nopeutta törmäyksen estämiseksi. Tärkeimpiä tutkimuskysymyksiä olivat, missä muodossa puomi- ja ympäristömallien tulisi olla tehokasta etäisyyslaskentaa varten, ja miten etäisyyslaskenta kannattaa toteuttaa.

Työssä tutkittiin erilaisia menetelmiä etäisyyslaskennan toteutukseen ja toteutetussa järjestelmässä päädyttiin käyttämään Flexible Collision Library (FCL) -ohjelmointikirjastoa. Työssä myös tarkasteltiin erilaisia menetelmiä pistepilvien käsittelyyn, jotta ympäristö- ja puomimallit saatiin prosessoitua sopivaan muotoon ja tarkkuuteen etäisyyslaskentaa varten. Sopiviksi muodoiksi malleille todettiin testeissä pintamallit. Mallipohjainen järjestelmä testattiin sekä simulaattorilla että oikealla rikotuspuomilla, ja tulokset osoittivat järjestelmän olevan toimiva. Parantamisenkin tarvetta järjestelmään jäi kuitenkin erityisesti puomin liikenopeuden tasaamiseksi esteen lähellä sivuttain ohjattaessa. Lisätutkimusta tarvitaan myös mallien kalibrointiin, jotta se saadaan tehtyä tarkemmin. Työn tuloksena luotiin törmäyksenestojärjestelmä rikotuspuomille, mutta järjestelmä on helposti sovellettavissa myös muihin puomityyppeihin.

Collision avoidance is a well-researched topic in robotics, and various methods have been developed for manipulators in recent decades. Collision avoidance systems are important for autonomous manipulators, but they also provide significant benefits for operator-controlled systems. They make the operator's work easier, enhance safety, and improve productivity. A breaker boom is a manipulator often used in demanding environments, which creates specific limitations and requirements on the collision avoidance system. The system must be reliable and cannot depend on sensors that are prone to failure.

In this thesis, a model-based collision avoidance system for the breaker boom was designed and implemented. The system's operation is based on models generated from the boom and the environment, with real-time distance calculations performed between them. The position of the boom model is updated using joint angle information obtained from the boom. Conversely, the environmental model is not updated after initialization, as the surroundings of the breaker boom are typically nearly unchanged concerning obstacles. When the boom approaches an environmental obstacle, the system restricts its speed to prevent a collision. Key research questions included the optimal format for the boom and environment models to support efficient distance calculations, and the effective method for implementing these calculations.

Various methods for implementing distance calculations were examined, leading to the use of the Flexible Collision Library (FCL) in the developed system. The study also explored different techniques for processing point clouds to prepare the environment and boom models in suitable formats and precision for distance calculations. Surface models were identified as suitable formats for the models in testing. The model-based system was evaluated using both a simulator and a real breaker boom, with results indicating that the system is operational. However, there remains a need for improvement, particularly in stabilizing the boom's movement speed when moving laterally near an obstacle. Further research is also required for model calibration to achieve greater accuracy. As a result, a collision avoidance system for the breaker boom was created, which can be easily adapted for other types of booms as well.