Entwurf, Analyse und Regelung einer kinematisch redundanten Roboterstruktur mit hydraulischen Antrieben variabler Nachgiebigkeit

Rost, Sven

Am Anfang dieser Arbeit wird der Entwurf eines oktaederförmigen und hydraulisch aktuierten Robotermoduls mit drei kinematischen Freiheitsgraden vorgestellt. Zu den Besonderheiten des Entwurfs zählen zum einen die im Hinblick auf eine Arbeitsraumvergrößerung und Materialentlastung des Moduls optimierten sphärischen Gelenke und zum anderen die strukturinterne Energieversorgung der hydraulischen Antriebe. Auf Basis des vorgestellten Modulentwurfs können hochbewegliche und kinematisch (hyper-)redundante Leichtbauroboter aufgebaut werden. Allgemeingültige Lösungsmethoden für die Direkte und Inverse Kinematik, Statik und Dynamik werden entwickelt. Mit der dadurch ermöglichten Berechnung des Arbeitsraumes, des Nutzlast-Eigenmasse- und Steifigkeits-Eigenmasse-Verhältnisses sowie der dynamischen Grenzwerte wird die Leistungsfähigkeit des Entwurfs exemplarisch anhand eines doppelmoduligen Roboters nachgewiesen. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Entwicklung eines Regelungskonzepts, mit dem der Endeffektor eines n-moduligen Roboters entlang einer Arbeitsraumtrajektorie geführt werden kann. In dem Konzept werden die statischen und dynamischen Grenzwerte und Nichtlinearitäten der Antriebe sowie der Roboterkinematik berücksichtigt. Die Funktionsfähigkeit und Güte des vorgeschlagenen Regelungskonzeptes wird experimentell an einem Einzelantrieb und simulatorisch am Beispiel eines fünfmoduligen Roboters aufgezeigt. In einem weiteren Schritt wird die Auswirkung der Kollision des Roboters mit dem menschlichen Kopf analysiert. Um die Kollisionskraft und somit das Gefahrenpotenzial des Roboters zu reduzieren, werden geeignete Steuerungsmethoden zur Redundanzauflösung und Entwurfsmodifikationen, die eine mechanische Entkopplung der einzelnen Modulmassen durch nachgiebige Strukturelemente vorsehen, untersucht. Zur Implementierung der Massenentkoppelung werden die hydraulischen Antriebe des Roboters zu hydropneumatischen Antrieben variabler Nachgiebigkeit und Dämpfung erweitert und mit einem speziellen Ventilkonzept ausgestattet, um die Energieeffizienz der Antriebe und somit des Roboters zu erhöhen. Abschließend werden mit simulatorischen und experimentellen Untersuchungen die Vorteile des hydropneumatischen Antriebs im Hinblick auf Energieeffizienz und reduzierter Kontaktkraft aufgezeigt.

This thesis starts with the design of a octahedron-shaped and hydraulical driven robot module with three kinematic degrees of freedom. The main features of the design are on the one hand the multiple collocated spherical joints, which are optimized to provide a larger workspace and a lower material stress for a single module, and on the other hand the structure-integrated supply of the drive fluid for the hydraulic actuators. Based upon the presented module design, a family of highly maneuverable and kinematical hyper-redundant light-weight manipulators can be derived. General methods of calculation for the direct and inverse kinematic, static and dynamic are introduced. With these methods the computation of the workspace, the payload-to-mass and the stiffness-to-mass ratio, as well as the dynamic limitations are done on the example of a double-module manipulator in order to show the potential of the presented design. The focus of this thesis lies on the development of a control architecture for a manipulator with an arbitrary number of modules, which allows the tracking of the manipulators tool-center-point along a specific workspace trajectory. The control architecture pays respect to the dynamic limitations and nonlinearities of the drives and the manipulators kinematic. Its functional capability and performance is proofen by experimental research on a single drive and simulation of a five-module manipulator. In a further step the impact of the five-module manipulator on the human head is analyzed. Control methods with a proper dissolving of the kinematical redundancy and design modifications, applying the mechanical decoupling of the manipulators modules-mass with variable compliance, were presented to reduce the impact force. In order to implement the mechanical decoupling, the manipulators hydraulic drives were redesigned as hydropneumatic actuators with variable compliance and damping, including a special valve concept to improve their energy efficiency. The advantages of the presented hydropneumatic drive concerning energy efficency and impact force reduction are demonstrated by a comparison with a standard hydraulic drive using virtual models including measurements on a test bed to verify the results.

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Rost, Sven: Entwurf, Analyse und Regelung einer kinematisch redundanten Roboterstruktur mit hydraulischen Antrieben variabler Nachgiebigkeit. 2016.

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