Catching a flying Dart using a cable-driven parallel robot

Abstract

In dieser Arbeit wird ein paralleler Seilroboter angesteuert, um einen von einem Menschen geworfenen fliegenden Dartpfeil zu fangen. Der Flug des Pfeils wird in Echtzeit von einem infrarot Kamerasystem erfasst und eine Turnierdartscheibe wird entsprechend bewegt, sodass der Dartpfeil das gewünschte Feld der Dartscheibe trifft. Aus den während des Flugs gemessenen Positionen des Dartpfeils wird die Flugbahn sowie der Auftreffort des Pfeils geschätzt. Dazu wird das Flugverhalten eines von einem Amateurspieler geworfenen Dartpfeils untersucht und modelliert. Um eine schnelle Bewegung der Dartscheibe zur Zielpose zu ermöglichen, wird ein echtzeitfähiger Trajektoriengenerator entworfen. Die somit berechnete Trajektorie wird in weiterer Folge angepasst, um eine Anregung von Vibrationen des Roboters zu reduzieren. Ein Trajektorienfolgeregler für den Seilroboter wird entworfen und näher untersucht, bei dem ein nichtlinearer Algorithmus zur Berechnung der Seilkraftverteilung zum Einsatz kommt. Die einzelnen Komponenten des Systems werden mithilfe von Simulationen validiert. Anhand von Experimenten wird die Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems demonstriert.

In the present work, a cable-driven parallel robot is employed to catch a flying dart thrown by a human. The flight of the dart is captured in real-time by an infrared camera system and a tournament dartboard is moved accordingly, such that the dart hits the desired scoring segment on the dartboard. An algorithm is developed to estimate the flight trajectory of the dart and predict the impact location. For this purpose, the flight behavior of a dart thrown by an amateur player is studied, and an aerodynamic model for the dart is developed. To move the dartboard accordingly, a real-time trajectory generator is designed. The trajectories generated by the trajectory generator are adapted by an input shaping algorithm, to reduce structural vibrations induced by the dartboard motion due to reaction forces. Finally, a trajectory following controller is designed and studied, which uses a cable force distribution algorithm to resolve kinematic redundancies present in the cable-driven robot. The individual components and algorithms employed in the control system are validated separately via simulations. Furthermore, experiments are conducted to demonstrate the effectiveness and reliability of the overall dart-catching robot system.