Grafische Realzeitunterstuetzung fuer Fernhandhabungsvorgaenge in komplexen Arbeitsumgebungen im Rahmen eines Systems zur Steuerung, Simulation und Off-Line- Programmierung

Uwe Kuehnapfel
1991
Ein Hauptproblem in der Fernhantierungstechnik besteht darin, den Operateur mit einem leistungsfähigen Sicht-und Kontrollsystem zu unterstützen. Der vorliegenden Arbeit liegt als Basisgedanke der Einsatz von Echtzeit-Computergrafik, CAD-Methoden und Simulationstechniken zugrunde. Bei der Durchführung von fernbedienten Inspektions-, Wartungs-und Reparaturarbeiten (Teleoperation) orientiert sich der Operateur anhand von synthetisch erzeugten, animierten 3D-Darstellungen des Arbeitsgeräts
more » ... Manipulatoren, Werkzeuge) und der Umgebung im Arbeitsbereich. Derartige Anwendungen erfordern vom grafischen Simulationssystem hohe Geschwindigkeit bei gleichzeitiger Realitätstreue. Neben dieser Echtzeitunterstützung der Telemanipulation, auch synthetisches Sehen genannt, eignet sich der Simulator auch zur Aufgabenplanung, zum Training des Bedienpersonals und zur Automatisierung von Teilaufgaben durch Off-Line-Programmierung. Das neuentwickelte Verfahren wurde bei JET zur Bedienunterstützung für den Großmanipulator "Articulated Boom" mit dem anwendungsspezifischen Simulationswerkzeug GBSIM in die Praxis umgesetzt. Das ebenfalls im Rahmen der Arbeit realisierte und universell einsetzbare Simulationssystem KISMET unterscheidet sich von bisherigen Ansätzen durch eine hierarchisch gegliederte Datenbasis zur Definition der Anlagengeometrie und -topologie, sowie der Gerätekinematik. Sie erlaubt die Darstellung in unterschiedlichen Detailstufen und eignet sich daher besonders zur Echtzeit-Darstellung von sehr komplexen Arbeitsszenarien. KISMET erlaubt die Modeliierung der Baugruppenstruktur in einer beliebigen Anzahl von Detaillierungsstufen. Der integrierte Modellierer gestattet die interaktive Definition der Zellengeometrie, der Baugruppen-Topologie und von Mechanismen. Kinematische Strukturen werden als Starrkörpersystem betrachtet. Die Mechanismen können offene Ketten mit beliebig vielen Verzweigungen und Gelenken, ebene geschlossene Ketten, sowie Kopplungen zwischen den Gelenken enthalten. Behandelt werden neuartige Verfahren, Datenmodelle und Algorithmen an den Beispielen der Kollisionserkennung, der Ausblendung von verdeckten Flächen und Kanten (Hidden-Surface-Problem), der verschiedenen grafischen Darstellungstechniken und der Simulation und Steuerung von Szenenkameras (Positionierung und NachfOhrung). Besondere Aufmerksamkeit wird dabei der Echtzeit-Problematik geschenkt. Am Beispiel dieser Systemrealisierung im UNIX-Umfeld werden geometrische und kinematische Modelliertechniken zur optimalen Ausnützung der Grafikfähigkeiten moderner Hochleistu ngs-Grafikstationen aufgezeigt. Weiterhin wird die Nutzung von standardisierten Schnittstellen zum Austausch von CAD-Modellen (CAD*I, STEP) und zur Roboterprogrammierung (IRDATA) behandelt. Die entwickelten Methoden werden an praktischen KISMET-Applikationen aus der Handhabungstechnik in Fusionsreaktoren, der Wiederaufarbeitung von Brennelementen und der sensorgeführten Robotik erläutert. iv Abstract One of the major problems in remote handling technology is the question of supporting the operator with a powerful vision and control system. The thesis in hand is based on the idea of using real-time computer graphics, CAD methods, and simulation techniques. During the execution of remotely controlled maintenance, inspection and repair tasks (teleoperation), the operator orients hirnself by means of synthetically created, animated 30-views of the equipment (robots, manipulators, tools), and of the .actual working environment. For this type of applications the graphical scene presentation has to be as fast and realistic as possible. ln addition to the real-time support of telemanipulation, also known as synthetic viewing, the simulator can be used for task planning, training operators, and for Off~Line robot programming of subtasks to achieve a high Ievei of automation. The novel simulation technique was put into practice at JET. During control ofthe "Articulated Boom" transporter, the operator is supported by the application specific simulation tool GBSim.
doi:10.5445/ir/186091 fatcat:74chjj724fbf3hchdmvz3vafua