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This work presents and summarizes the research work carried out during the development and experimental evaluation of a dual arm anthropomorphic manipulator designed for teleoperation purposes. The results are generalizable to other types of manipulators, especially for robots acting in human environments and/or physically interacting with humans. Such applications pose specific requirements that are in general different from those of traditional robot design. To assure safety and stable operation, ``soft'' robotic manipulators are absolutely essential. For this reason, in this work, compliance control methods were extensively studied and evaluated experimentally. As a result, an impedance control strategy with underlying stiffness controller in motion control loop is proposed. To achieve proper workspace matching between the human arm and the developed manipulator, an adequate singularity handling strategy must be applied. Experimental comparison of such solutions is performed and an innovative damped inverse kinematics method is introduced. This method allows for traversing through singularities with simultaneous weighing of the task space tracking error. Because the kinematic structures of the master/slave manipulators in a teleoperation system are in general dissimilar, there is a need for a universal kinematic interface, independent of the device structure. The classical approaches using Euler or Cardanian angles fail due to algebraic singularities introduced by the representation. To avoid this problem, the unit quaternion was used for describing orientation and corresponding rotational displacement. In order to avoid the collisions between the arms and the workspace limits a virtual forces concept was introduced. This application forms a basis for local optimization strategies and an intuitive force display for the human operator. Finally, the force - position teleoperation control architecture was analyzed and a tele-assembly experiment in 6 DoF was successfully performed. The experimental results confirm the high performance of the developed hardware and control strategies. In der vorliegenden Arbeit werden die Forschungsarbeiten, die während der Entwicklung und experimentellen Bewertung eines speziell für Telepräsenzanwendungen konzipierten, zweiarmigen, anthropomorph gestalteten Manipulators durchgeführt wurden, vorgestellt und zusammengefasst. Die Ergebnisse lassen sich auf andere Arten von Manipulatoren übertragen, insbesondere auf jene, die in für Menschen gestalteten Umgebungen eingesetzt werden oder in direkten physikalischen Kontakt mit menschlichen Personen treten. Die besonderen Anforderungen der genannten Anwendungsgebiete unterscheiden sich grundsätzlich von denen klassischer Robotikanwendungen. Um Sicherheit und Stabilität zu gewährleisten, sind „nachgiebige“ Roboterarme unabdingbar. Aus diesem Grund wurden Methoden nachgiebiger Positionsregelungen ausgiebig untersucht und experimentell bewertet. Als Ergebnis wird eine Impedanzregelungsstrategie mit unterlagerter Steifigkeitsregelung vorgeschlagen. Um die Arbeitsbereiche des menschlichen Armes und des entwickelten Manipulator aufeinander abzustimmen, muss eine angemessene Strategie zur Behandlung von Singularitäten angewandt werden. Ein experimenteller Vergleich derartiger Lösungen wird durchgeführt, und eine besonders attraktive Methode zur gedämpften inversen Kinematik wird vorgestellt, welche es erlaubt, Singularitäten zu durchlaufen und dabei den kartesischen Regelfehler im Arbeitsraum abzuschätzen. Da die kinematischen Strukturen auf Operator- und Teleoperatorseite eines Teleoperationssystems üblicherweise verschieden sind, bedarf es einer allgemein verwendbaren, geräteunabhängigen Schnittstelle. Klassische, auf Euler- oder Kardan-Winkeln basierende Ansätze sind aufgrund der möglichen algebraischen Singularitäten ungeeignet. Um dieses Problem zu umgehen, werden Einheitsquaternionen zur Beschreibung von Orientierung und Orientierungsfehler verwendet. Zur Vermeidung von Kollisionen zwischen den beiden Armen und den Arbeitsraumgrenzen wird ein auf virtuellen Kräften beruhendes Konzept vorgestellt, welches als Grundlage für lokale Optimierungsstrategien und eine intuitive Kraftrückkopplung an den menschlichen Operator dient. Schließlich wird die Kraft-Positions-Teleoperationsstruktur untersucht und die erfolgreiche Durchführung eines Experiments zum telepräsenten Fügen gezeigt. |
