Kohärente Methodologie zur Modellierung und zum Entwurf weicher Roboter – Die Soft Material Robotics Toolbox (SMaRT)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Annika Raatz; Professor Dr.-Ing. Thomas Seel, seit 3/2023; Professor Dr.-Ing. Jörg Wallaschek
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405032969

In den letzten Jahren wurden unterschiedlichste Robotersysteme aus weichen Materialien entwickelt. Dank ihrer geringen Steifigkeit und der daraus resultierenden Flexibilität werden diese als vorteilhaft in Bezug auf den Umgang mit unbekannten Objekten oder der Interaktion mit ihrer Umgebung angesehen. Die Entwicklung und Nutzung von weichen Robotersystemen für reale Anwendungsfälle ist jedoch eine Herausforderung, die bis heute besteht. Für die Modellierung und Regelung weicher Robotersysteme werden häufig Vereinfachungen getroffen, die nur auf sehr spezielle und damit eingeschränkte Anwendungen zutreffen und nicht verallgemeinert werden können. Für verallgemeinerte Entwicklungsaufgaben sind grundlegendere Methoden nötig, damit die Vorteile softer Robotersysteme reale Anwendungen finden. Ziel des vorliegenden Projektes ist es daher, einen Schritt hin zu der benötigten Methodik zu leisten. Dafür soll das komplexe Kontaktverhalten weicher Robotersysteme, das bisher häufig entweder vereinfacht oder vernachlässigt wurde, in die Modellierung einbezogen werden. Besonders im Hinblick auf reale Anwendungen muss der Kontakt des Roboters mit der Umgebung berücksichtigt werden. Während der ersten Förderperiode wurde eine Toolbox entwickelt, die verschiedene Methodiken und Ansätze beinhaltet, die die Entwicklung und Optimierung eines einzelnen soften Aktorsegments unterstützen. Darauf aufbauend soll im hier beschriebenen Forschungsvorhaben eine Erweiterung der Toolbox vorangetrieben werden. Diese wird sowohl eine Erweiterung des weichen Robotersystems auf mehrere Segmente als auch eine Weiterentwicklung und Erweiterung der Methodiken beinhalten. Für einen zielgerichteten modellbasierten Designprozess werden Optimierungsprozesse erforschen, die einen vollständigen soften Manipulator mit spezifischen Aufgabenstellungen berücksichtigen, anstatt sich auf bestimmte Eigenschaften eines einzelnen weichen Aktors zu konzentrieren. Für diese Optimierungsprobleme erforschen wir die Möglichkeit, Bahnplanung auch unter Berücksichtigung des Kontakts und der Nutzung von Hindernissen zu untersuchen. Dafür wird unter anderem ein komplexeres, und damit realistischeres Kontaktverhalten softer Robotersysteme in die Regelung und Modellierung einbezogen. Im Hinblick auf den Einsatz realer Roboter wird darüber hinaus die Bahnplanung im Zusammenspiel mit der gezielten Nutzung von Hindernissen untersucht. Die Ausführung gezielter dynamischer Trajektorien erfordert identifizierte Modelle, welche unter Berücksichtigung der Designoptimierung generiert werden. Um den Kontaktfall zu erkennen, werden Zustandsschätzer auf Basis der weiterentwickelten Modelle der Dynamik inkl. Kontakt untersucht. Die in diesem Projekt erzielten Forschungsergebnisse werden in einer weiterentwickelten Toolbox der Öffentlichkeit zugänglich gemacht und unterstützen somit zukünftig eine zielgerichtete und anwendungsorientierte Entwicklung softer Robotersysteme.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2100: Soft Material Robotic Systems
• Ehemalige Antragstellerin: Dr.-Ing. Svenja Spindeldreier, bis 3/2023