Independent wheel offset steering : Analysis of a wheeled robot locomotion system and an odometry based motion model

Abstract

Mobile Roboter, insbesondere solche mit einem Differential Drive (DD), werden vielseitig in Lagerhallen und Produktionsstätten eingesetzt. Sie kommen auch für den Transport in Umgebungen, in denen sich Menschen bewegen zur Anwendung.In dieser Arbeit wird das neuartige Roboterantriebssystem Independent Wheel Offset Steering (IWOS) erstmals umfangreich vorgestellt. Dieses Bewegungssystem besteht aus einer linken wie auch einer rechten angetriebenen Lenkrolle, bei der sowohl die Gabel als auch das Rad gesteuert werden. Eine zusätzliche nicht gesteuerte Lenkrolle (Bockrad) sorgt für Stabilität.Das innovative IWOS-System, inspiriert von der DD-Technologie, bietet erweiterten Bewegungsumfang, der eine Verbesserung der Human-Robot Interaction (HRI) sowie der Kollisionserkennung und -bewältigung ermöglicht. Der Bewegungsumfang der Gabel ist zwar begrenzt, bietet aber dennoch Vorteile für dieses Roboter-Antriebssystem.Bei einer geringen Komplexität von Hardware und Software kann das IWOS-System eine andere Blickrichtung als Fahrtrichtung einnehmen. Mit dieser Fähigkeit kann das Blickverhalten von Menschen nachgeahmt werden, wodurch der Pfad eines mobilen Roboters mit seiner Blickrichtung angedeutet werden kann.Diese Arbeit konzentriert sich auf die Erforschung der Grundlagen des IWOS-Systems um damit den Weg für weitere Studien zu ebnen. Im Zuge dieser Erörterung werden die Vorteile in Bezug auf die Lenkfähigkeit des IWOS gegenüber dem DD beleuchtet. Darüber hinaus wird ein Ansatz für einen Odometer sowie ein an dieses System angepasstes Odometry Motion Model (OMM) präsentiert. Dieses OMM zielt darauf ab, unvermeidliches Abdriften sowie Fehler der Odometrie mithilfe stochastischer Methodik auszugleichen.Um die Machbarkeit und Möglichkeiten des IWOS zu demonstrieren, wurde als Teil gegenständlicher Arbeit ein Prototyp dieses Systems, der erste seiner Art, gebaut. Eine qualitative Analyse der mit diesem Prototyp durchgeführten Experimente liefert vielversprechende Ergebnisse für das IWOS-System sowie das OMM, das für dieses Antriebssystem entwickelte wurde, wobei das OMM Fehler des Odometers ausgleichenkann.

Mobile robots, especially those with Differential Drive (DD), are widely used in warehousing and production, as well as in transportation in environments shared with humans.In this thesis, a novel robot locomotion system, the Independent Wheel Offset Steering (IWOS), debuts. This locomotion system consists of an actuated left and right caster-like wheel with both the fork and the wheel steered independently. An additional freely-moving caster wheel ensures stability.The innovative IWOS, inspired by the DD, offers greater maneuverability, resulting in enhancements to Human-Robot Interaction (HRI), collision detection and collision handling. The fork’s range of motion is limited to a certain degree, but still provides benefits to this robot locomotion system in terms of maneuverability. While keeping complexity of hardware and software to a minimum, the IWOS allows for facing a direction different to the driving direction. With this capability, the gaze behavior of humans can be imitated, thereby indicating the trajectory of a mobile robot with its gaze direction.This work focuses on exploring the fundamentals of the IWOS, paving the way for further studies. In the course of this discussion, the advantages of the IWOS in terms of maneuverability over the DD are examined. Additionally, an approach to an odometer and an Odometry Motion Model (OMM) tailored to this locomotion system are introduced. This OMM aims to compensate inevitable drift and error in odometer data with stochastic methodology.In order to provide a proof of concept, a prototype of the IWOS, the first of its kind, was built in the course of this thesis. A qualitative analysis of experiments conducted with this prototype provides promising results for the IWOS and the OMM designed for this locomotion system, leading to an enhancement in odometer data by the OMM.