Regelung gliedelastischer Serialkinematiken mit multipelen Biegeebenen im Kontext einer sicheren, zuverlässigen und effizienten physischen Mensch-Roboter-Interaktion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Torsten Bertram
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289939442

Das Vorhaben hat die Entwicklung von Regelungen zur Schwingungsdämpfung, Positionierung und Kraftregelung für gliedelastische Kinematiken mit multiplen Biegeebenen zum Ziel. Die Perspektive in der industriellen Kleinserienfertigung ist ein als Robot-Farming bezeichnetes Konzept, bei dem der menschliche Prozessexperte als Hirte für eine Herde von Robotern verantwortlich ist. Der Experte instruiert die Roboter für eine spezielle Produktionsaufgabe. Während jeder einzelne Roboter seinen individuellen Auftrag abarbeitet, ist der Hirte frei, um weitere Roboter für unterschiedliche Aufgaben zu instruieren oder nachfolgende Fertigungsprozesse für den gleichen Roboter und diesen vorzubereiten. Im Kontext einer alternden Gesellschaft wird die Idee des flexiblen Produktionsassistenten auf den universellen Haushaltsroboter ausgeweitet, der dem Menschen die mühsamen Bürden des häuslichen Alltags abnimmt, und somit ein selbstbestimmtes Leben bis ins hohe Alter ermöglicht. Ein Schlüssel zur Realisierung ist die Gewährleistung einer intrinsisch sicheren und zuverlässigen physischen Interaktion mit dem Roboter. Dies bringt einen Paradigmenwechsel mit sich. Der Wechsel führt fort von absolut genauen, steifen und massiven Robotern hin zu sogenannten Soft-Robotics-Methoden. Sie bestehen in einem ersten Schritt aus der Reduktion der Robotermasse. Im Weiteren werden passive elastische Komponenten in Serie zur Aktorik eingefügt. Die auftretenden, unerwünschten, strukturellen Schwingungen und Verbiegungen sind durch die Regelungstechnik zu kompensieren. In existierenden Prototypen wird die passive elastische Komponente ausschließlich in den Gelenken realisiert. Dort ist die Elastizität am Wirkort der Aktoren konzentriert. Entsprechend werden moderne Verbundmaterialien eingesetzt und ein substanzieller Aufwand in die Konstruktion steifer und zugleich leichter Armkörper investiert. Im Falle intrinsisch nachgiebiger Armkörper ist die Elastizität hingegen entlang der Armstruktur verteilt, woraus sich eine schwierigere Regelungsaufgabe ergibt. Die Verfügbarkeit von robusten Regelungen zur Dämpfung der verteilt auftretenden Armschwingungen kann die strikte Anforderung an steife Armkörper auflockern. Die Massenreduktion lässt sich dann auch durch verringerte Wandstärken mit einfacherer Armgeometrie und konventionellen Materialien kostengünstiger erzielen. Dies erlaubt die Entwicklung leichter und effizienter Roboter mit kleineren Antrieben. Antriebe mit geringerer Leistung tragen ihrerseits wieder zu einem Sicherheitsgewinn bei. Der Antragsteller sieht daher als Grundlage des beantragten Vorhabens einen gesteigerten Bedarf zur Entwicklung entsprechender Regelungen im Sinne der Soft-Robotics-Methoden für gliedelastische Armstrukturen. In der Literatur besitzen experimentell untersuchte gliedelastische Systeme meist eine einzige Biegeebene. Vor diesem Hintergrund leistet das Vorhaben mit der Einführung multipler Biegeebenen einen Beitrag zur Erweiterung des Forschungsstandes.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien
• Kooperationspartner: Dr.-Ing. Jörn Malzahn