Experimentell gestützte Balkenformulierung zur robusten Simulation weicher Robotersysteme

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kristin de Payrebrune
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404986830

Die Untersuchung fast uneingeschränkt verformbar, weicher Kontinuumsroboter und die damit verbundenen neuen Ansätze von Fortbewegung, Regelung und Sensorintegrierung, stellen derzeit einen Schwerpunkt in der Robotik dar. Die Fähigkeiten dieser Roboter sich an Hindernisse anschmiegen, Gegenstände greifen und ihr Bewegungsverhalten anpassen zu können sind prädestiniert für Anwendungen im Gesundheitswesen, bei der Mensch-Roboter Interaktion und im Feldeinsatz.Um jedoch ihr Verhalten mathematisch beschreiben zu können bedarf es überarbeiteter Modelle, die die nachgiebige Struktur und die kontinuierlichen Verformungen berücksichtigen. Daher besteht das Ziel dieses Forschungsvorhabens in der Entwicklung eines robusten Modells, das allgemein für weiche Kontinuumsroboter gültig ist und das Wechselwirkungen zwischen Roboter und Umgebung, sowie dynamische Effekte abbildet. Wegen der Recheneffizienz wird der sehr vielversprechende Cosserat Balkenansatz angewendet, der die Struktur des Roboters als flexible, räumliche Materialkurve abbildet. Im Hinblick auf die Anwendbarkeit dieses Modells werden im Forschungsprojekt folgende Fragestellungen behandelt: 1) Welche grundsätzlichen Einflüsse im Einsatz von weichen Kontinuumsrobotern müssen erfasst werden und wie lassen sich diese Einflüsse mit dem Cosserat Balkenmodell angemessen berücksichtigen?2) Wie hängen die Modellparameter von der Ansteuerung des Roboters ab und ist eine Überlagerung verschiedener Bewegungsabläufe möglich?3) Wie müssen aufgrund der vereinfacht dargestellten Struktur des Roboters Kontakteinflüsse und aufgebrachte Lasten im Balkenmodell integriert werden um lokale Einflüsse zu erfassen?4) Wie groß ist der Fehler des Balkenmodells aufgrund der vereinfachten Darstellung der Roboterstruktur im Vergleich zu Modellen, die eine größere Geometrietreue erlauben?Für die Beantwortung werden numerische und experimentelle Untersuchungen an hergestellten pneumatisch angesteuerten weichen Kontinuumsrobotern durchgeführt. Die Roboter unterscheiden sich dabei in ihrem Bewegungsvermögen (Biegung, Torsion, Längung) und in der Komplexität ihrer Struktur. Grundlagenuntersuchungen sollen den Zusammenhang zwischen der Verformung und den korrespondierenden Modellparametern identifizieren. Zusätzliche Bewegungsanalysen unter aufgebrachten Lasten und Kontakten helfen das Cosserat Balkenmodell zu erweitern. Während des Projekts werden die Ergebnisse des Modells fortlaufend mit Experimenten überprüft. Zusätzliche Vergleiche mit Finiten Elementen Modellen, die die Roboterstruktur detailgetreuer abbilden, dienen der Bestimmung der Fehler und Gültigkeitsgrenze. Das Ergebnis des Forschungsprojekts ist ein allgemeines und parametrisiertes Cosserat Balkenmodell für weiche Kontinuumsroboter, das durch Experimente mit Prototypen validiert ist. Die durchgeführten numerischen und experimentellen Untersuchungen tragen zudem zum ganzheitlichen Verständnis der weichen Kontinuumsroboter und ihres Einsatzverhaltens bei.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2100: Soft Material Robotic Systems