Modellierung, Synthese und modellbasierte Bewegungsplanung hyperredundanter, binär aktuierter Manipulatoren

verfasst von
Svenja Spindeldreier
Abstract

Die Untersuchung von schwer zu erreichenden Hohlräumen durch schmale Zugänge wird im technischen Umfeld als Boroskopie und in der Medizin als Endoskopie bezeichnet. Wenn neben der reinen Inspektion auch eine Manipulation erfolgen soll, wird ergänzend zu einer guten Anpassbarkeit an gekrümmte Pfade auch eine stabile Arbeitsplattform zur Aufnahme von Manipulationskräften benötigt. Einen Ansatz, die daraus resultierenden Anforderungen an die verwendeten Systeme zu adressieren, stellen schlangenartige Roboter dar. Ihre hyperredundante Struktur aus einzelnen Stellgliedern bietet eine vielseitige Positionierbarkeit. Die Verwendung von binären, kippstabilen Aktoren beschränkt zwar den Arbeitsraum auf wenige diskrete Punkte, bietet aber – in Abhängigkeit vom Antriebsmechanismus – besonders hohe Haltemomente und ermöglicht damit eine gezielte Systemversteifung. Eine Kombination beider Ansätze zur Klasse der binär aktuierten, hyperredundanten Manipulatoren ist in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen, jedoch existiert deutlicher Forschungsbedarf hinsichtlich Methoden zur optimalen Auslegung sowie zur gezielten Verfolgung von Referenzpfaden, sodass Kern der vorliegenden Arbeit die Erforschung der modellbasierten Bewegungsplanung dieser Roboterklasse ist. Voraussetzung für eine hohe Pfadfolgegenauigkeit ist, dass der Manipulator sich grundsätzlich gut an einen vorgegebenen Referenzpfad anschmiegen kann. Der Einschränkungsgrad durch die diskrete Positionierbarkeit des Manipulators ist dabei abhängig von den geometrischen Parametern der einzelnen Segmente. Die Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen, dass durch die Analyse kinematischer Leistungsmerkmale, wie Arbeitsraum(-dichte) oder erzielbarer Krümmungsradius, kein allgemeingültiges optimales Design gefunden werden kann. Daher wird eine Maßsynthese unter Berücksichtigung von Randbedingungen entworfen, in der optimale geometrische Parameter eines einzelnen binären Aktors synthetisiert werden. Darauf aufbauend wird eine Pfadverfolgung gemäß dem „Follow-the-Leader“-Prinzip erarbeitet. Grundidee ist, dass das Endeffektorsegment den Referenzpfad exploriert, während alle weiteren Aktoren dem führenden Segment automatisch folgen. Da binäre Aktoren einen nicht-kontinuierlichen Schaltprozess aufweisen, wird ein modellbasierter Ansatz für die Bestimmung optimaler Schaltsequenzen vorgeschlagen, die zu jedem Zeitpunkt eine hohe Pfadtreue garantieren. Die anschließende experimentelle Evaluation erfolgt nach der Modellierung und Identifikation relevanter Parameter für den Prototyp einer elektromagnetischen Kippaktorkette. Grundsätzlich kann die Funktionsfähigkeit der in dieser Arbeit erforschten Methoden zur Bewegungsplanung sowohl in der Simulation als auch experimentell nachgewiesen werden.

Organisationseinheit(en)
Institut für Mechatronische Systeme
Typ
Dissertation
Anzahl der Seiten
185
Publikationsdatum
25.01.2021
Publikationsstatus
Veröffentlicht
Elektronische Version(en)
https://doi.org/10.15488/10346 (Zugang: Offen)