Seilgetriebene serielle Manipulatoren aus soften Materialien

• Antragsteller: Dr.-Ing. Bastian Deutschmann; Professor Dr. Remco Leine, seit 3/2024
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405032572

Der aufstrebende Forschungsbereich der „Soft Robotics“ steht noch ganz am Anfang. Bisher sind die meisten soften Roboter für eine Laborumgebung konzipiert, wobei die mechatronische Zuverlässigkeit noch begrenzt ist und Regelungskonzepte in den Kinderschuhen stecken. Folglich sind reale Anwendungsszenarien eher rar. Um einen Schritt näher in Richtung Anwendung zu kommen, werden wir einen seilgetriebenen seriellen Manipulator aus softem Material entwickeln. Wir stellen uns diesen Soft Material Manipulator aus gestapelten Gelenkmodulen der ersten Antragsphase vor. Dieser Manipulator soll ein Technologiedemonstrator darstellen mit dem man die Grenzen des machbaren ausloten kann. Mit Standardtests aus der Robotik wollen wir den Soft Material Manipulator hinsichtlich Ganzkörperverformung, Dexterität, Präzision, Wiederholbarkeit, Geschwindigkeit und Robustheit gegenüber äußeren Einflüssen untersuchen.Um die Funktionsintegration des soften Materials zu erhöhen, untersuchen wir, wie Hohlräume für die aktuierenden Seilzüge eingebracht werden können, ohne dass die Eigenschaften des Materials beeinträchtigt werden. Die Dimensionierung dieser Seilkanäle, der Seilzüge sowie Ihrer elektro-mechanischen Aktuatoren hängen stark vom physikalischen Modell des Manipulators ab. Daher werden wir eine Simulationsumgebung zur Analyse des statischen und dynamischen Verhaltens der soften Manipulatoren aufbauen. Die Simulationsumgebung zeichnet sich durch die Integration der Seilaktuierung sowie alternativer Aktuierungsprinzipien aus der „Soft Robotics“ aus.Unser übergeordnetes Ziel ist die Regelung des Endeffektors des Soft Material Manipulators entlang einer definierten Trajektorie. Hierdurch ergeben sich für die beabsichtigten modellbasierten Regelstrategien drei herausfordernde Themen. Dies sind die Trajektoriengenerierung, die Trajektorienverfolgungregelung sowie die Zustandsschätzung des Manipulators. Diese Themen sind besonders herausfordernd, da entsprechende Methoden für Gelenkarmroboter nicht direkt anwendbar sind. Da kontinuierlich verteilte Sensoren und Aktoren fehlen, bedeutet die Steuerung eines Soft Material Manipulators die Steuerung eines stark unteraktuierten, nichtlinearen Systems. Eine zusätzliche Schwierigkeit entsteht durch die Seilzüge, die nur einseitig wirken. Zur Trajektoriengenerierung werden wir an optimalen Steuerungsstrategien arbeiten, die diese spezifischen Schwierigkeiten für den Regeleingang lösen können. Für die Trajektorienfolgeregelung streben wir eine modellbasierte Rückführungsregelung an, die es sowohl ermöglicht, eine Vorsteuerung zu integrieren als auch die bereits günstige Dynamik des Manipulators mit seinen inhärent stabilen Gleichgewichtslagen auszunutzen.Die Entwicklung des Manipulators wirft neue Forschungsfragen zu Konstruktion, Modellierung und Regelung auf, die in diesem Projekt bearbeitet werden und deren Antworten uns zu einer neuen Generation von „Soft Robots“ führen wird.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2100: Soft Material Robotic Systems
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Simon Eugster, bis 2/2024