Eine integrierte Umgebung für die physikalische Bewegungssimulation von Bewegungen mit großen Drehwinkeln basierend auf einem seriellen Roboter

Röttgermann, Sebastian GND

Physikalische Bewegungssimulatoren finden eine weitreichende Anwendung in der Nutzung als Fahrgeschäft in Freizeitparks, über Hilfsmittel für Pilotentrainings bis hin zu individuell konfigurierten Simulatoren, zur Untersuchung komplexer wissenschaftlicher Fragestellung an Forschungsinstituten und Entwicklungseinrichtungen. Die Schwerpunkte hierbei liegen zum Beispiel in der Erforschung menschlicher Bewegungswahrnehmung, der Optimierung von Bewegungsvorgaben durch Motion Cueing Algorithmen und der robusten Ansteuerung der kinematischen Basis des Simulators oder der Verbesserung der virtuellen Darstellung in der Simulationsumgebung.
Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung einer integrierten Umgebung für die physikalische Simulation von Bewegungsabläufen mit großen Drehwinkeln, wie zum Beispiel Achterbahnfahrten. Die Entwicklung dieser integrierten Umgebung erfolgt basierend auf einem seriellen Roboter sowie einem Head Mounted Display (HMD). Die zu simulierenden Bewegungen sollen, unter Berücksichtigung der entsprechenden technischen Limitierungen, möglichst realitätsnah abgebildet werden. Hierbei spielt die Entwicklung und Darstellung einer realitätsnahen, virtuellen Umgebung auf einem Head Mounted Display eine wesentliche Rolle für den Immersionsgrad der Simulation.
Des Weiteren soll die optimale Nutzung des Roboterarbeitsraums mittels einer robusten Steuerung und einer geeigneten Berechnung von Roboterbewegungsvorgaben, sowie das Bewegungsempfinden des Passagiers untersucht werden.
Die vorliegende Dissertationsschrift ist folgendermaßen gegliedert: Zunächst werden die Grundlagen von physikalischen Bewegungssimulatoren dargestellt und eine Kategorisierung von Simulatortypen vorgenommen. Im Anschluss daran folgt die Erläuterung des LMR Robocoaster Motion Simulator sowie den damit verbundenen Subkomponenten, wie beispielsweise der Ansteuerung des Roboters sowie der Virtual Reality (VR) Umgebung der Simulation. Anschließend wird eine Methode zur robusten Steuerung des seriellen Roboters anhand inverser Kinematik vorgestellt, die es ermöglicht singuläre kinematische Konfigurationen zu vermeiden. Die Methode wird anhand von experimentellen Untersuchungen am realen Roboter validiert und mit einer, der am verbreitetsten eingesetzten, vorliegenden Methoden verglichen.
Des Weiteren wird eine Untersuchung im Rahmen einer Probandenstudie vorgestellt, die sich der Frage widmet, inwiefern Probandenbewertungen eine Auswahl geeigneter Motion Cueing Algorithmen für die Verwendung mit dem LMR Robocoaster Motion Simulator ermöglichen.

Physical motion simulators are widely used as rides in amusement parks, as well as a tool for pilot training through individually configured simulators and to study complex scientific issues at research institutes and development facilities. Here one focus is on the research of human motion perception, the optimization of motion presets by motion cueing algorithms and the robust control of the kinematic basis of the simulator or the improvement of the virtual reality representation for the simulation environment.
The goal of this work is the development of an integrated environment for the physical simulation of motion sequences with large angles of rotation, such as roller coaster rides. The development of this integrated environment is based on a serial robot and a head mounted display (HMD). The movements to be simulated should, as far as possible, be reproduced as realistically as possible, by taking into account the corresponding technical limitations. The development and presentation of a realistic, virtual environment on a head mounted display plays an essential role in the immersion level of the simulation. Furthermore, the optimal use of the robot working space by means of a robust control and a suitable calculation of robot target motions, as well as the motion perception of the passenger will be investigated.
This dissertation is structured as follows: First, the basics of physical motion simulators are presented and a categorization of simulator types is made. This is followed by the explanation of the LMR Robocoaster Motion Simulator as well as the associated subcomponents, such as the control of the robot as well as the virtual reality (VR) environment of the simulation. Subsequently, a method for robust control of the serial robot by means of inverse kinematics is presented, which makes it possible to avoid singular kinematic configurations. The method is validated on the basis of experimental investigations on the real robot and compared with one of the most commonly used existing methods.
In addition, an investigation is described in the context of a subject study which deals with the question of how subjects’ ratings enable a selection of suitable motion cueing algorithms for use with the LMR Robocoaster Motion Simulator.

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Röttgermann, Sebastian: Eine integrierte Umgebung für die physikalische Bewegungssimulation von Bewegungen mit großen Drehwinkeln basierend auf einem seriellen Roboter. 2019.

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