Parallel continuum manipulators - Balancing structure dependent drawbacks by combining parallel and continuum robots
Final Report Abstract
Diese Projekt befasst sich mit einer grundlegenden und systematischen Analyse des Forschungsfelds von parallel Robotern mit kontinuierlichen Ketten. Hierfür werden zunächt die prinzipiellen Möglichkeiten zur Umsetzung von parallel-kontinuierlicher Strukturen konzipiert, analysiert und eine Notation erstellt, welche eine weitere Klassifikation erlaubt. Anschließend folgt die Untersuchung der Koppelmöglichkeiten von Kontinuumssegmenten innerhalb der parallen Struktur. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Trennung zwischen Antriebseinheit und Kontinuumssegment durch Gelenke innerhalb von seriellen Ketten. Um dies zu ermöglichen werden für eine Seilzugaktuierung Basislager konstruiert und evaluiert, die Bewegungen des Gelenks ohne Konfigurationswechsel des Kontinuumssegments erlauben. Der weitere Projektverlauf fokusiert, wie beantragt, planare Systeme zur Reduktion möglicher PCR Strukturen. Abgeleitet vom konventionellen planaren 3-RRR-Parallelroboter sind zwei Entwürfe für parallele Kontinuumsroboter unter Verwendung von seilzugaktuierten Kontinuumsegmenten entstanden. Die Modellierung erfolgt zunächst für die seriellen Ketten in zwei Modellierungstiefen und wird anschließend für das verkoppelte System erweitert. Die Designs werden im Hinblick auf kinematische Eigenschaften untersucht, was insbesondere die Arbeitsraumgröße sowie Dexteritäts- und Singularitätsverteilungen beinhaltet. Um die Unterschiede bei der Verwendung kontinuierlicher Strukturen in Parallelrobotern zu quantifizieren, werden qualitative und quantitative Vergleiche zu konventionellen Designs gezogen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass parallele Kontinuumsroboter hinsichtlich der kinematischen Leistungen mit konventionellen Parallelrobotern gleichwertig sein können. Die Eigenschaften von Kontinuumsrobotern, wie eine hohe Manipulierbarkeit und wenige Singularitäten, verbessern die Leistung paralleler Roboterstrukturen in den untersuchten planaren Designs nicht signifikant. Dies ist jedoch möglicherweise nicht allgemein gültig, da Designs für parallele Kontinuumsroboter bereits im planaren Fall recht komplex sind. Somit sind weitere Untersuchungen erforderlich. Weiterhin wird eines der beiden vorgeschlagenen Designs an einem realen Roboterprototypen bezüglich Wiederhol- und Absolutgenauigkeit evaluiert. Die erzielten Ergebnisse liegen in ähnlichen Bereichen wie vergleichbare Modelle für parallele Kontinuumsroboter aus der Literatur. Der Prototyp erreicht eine mittlere Positioniergenauigkeit von 1,4% bezogen auf die Länge der Kontinuumsabschnitte. Die durchgeführten Forschungen zeigen, dass der gewählte Modellierungsansatz der Kinematik in der Lage ist, die Genauigkeit von PCR mit kineto-statischen Modellen im lastfreien Zustand zu erreichen. Abschließend ist festzuhalten, dass die ursprünglichen Hypothesen (H1-H3) des Projekts nur teilweise bestätigt werden konnten. Die parallele Anordnung der Beinketten erhöht die aufnehmbaren Manipulationskräfte im Vergleich zu seriellen Kontinuumsrobotern (H3). Für die untersuchten Designs wird jedoch keine direkte Verbesserung der kinematischen Eigenschaften bezüglich Arbeitsraumgröße (H1), Dexteritäts- und Singularitätsverteilung (H2) nachgewiesen.
Publications
- Modeling, Calibration, and Evaluation of a Planar Parallel Continuum Robot based on Tendon Actuation. In: IEEE Robotics and Automation Letters. In: IEEE Robotics and Automation Letters, 5(2): S. 5811-5818, Oktober 2020
Nuelle, Kathrin; Sterneck, Tim; Lilge, Sven; Xiong, Dezhu; Burgner-Kahrs, Jessica; Ortmaier, Tobias
(See online at https://doi.org/10.1109/LRA.2020.3010213) - Parallel Continuum Robots – Reconfigurable Designs. Eingeladener Vortrag auf der IEEE International Conference on Robotics and Automation, Workshop: New Trends on Parallel Robotics, 2021
Jessica Burgner-Kahrs
