Untersuchung des Schwarmtransportes von sehr flexiblen Objekten unter Benutzung von Mehrkörperdynamik und expliziter Kraft-basierter Regelung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Eberhard
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433183605

Das vorliegende Projekt behandelt den kooperativen Transport von Objekten durch einen Schwarm mobiler Roboter, wobei die transportierten Objekte großen Deformationen unterliegen können. Mobile Roboter werden bereits heute für viele Aufgaben eingesetzt, darunter auch für den kooperativen Transport starrer Objekte. Während dies üblicherweise durch das Regeln der Roboterpositionen implizit realisiert wird, steht in diesem Projekt die explizite Interaktion der Roboter mit dem Objekt im Mittelpunkt. Dieser Ansatz ermöglicht es den Robotern, Objekte gezielt zu deformieren, je nach Anwendungsfall z.B. zur Erzeugung von gezielten Spannungen um zusätzliche Lasten zu transportieren oder um durch enge Passagen zu manövrieren. Daraus ergeben sich neuartige Herausforderungen in der verteilten Robotik, für die das vorliegende Projekt neue, fortgeschrittene Methoden entwickelt. So können die Formationsfindung und die Regelung nur unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des deformierbaren Objekts erfolgen. Da herkömmliche Mehrkörpermodelle zur Beschreibung von Körpern mit großen Deformationen und Rotationen nicht echtzeitfähig sind, wird stattdessen ein identifiziertes Surrogatmodell des flexiblen Objekts verwendet. Dieses Ersatzmodell wird für die Organisation des Schwarms in einen optimierungsbasierten Ansatz integriert. Die resultierenden Sollgrößen für die Gesamtbewegung des Schwarms sowie die individuellen Zugkräfte der Roboter werden mittels eines kaskadierten Regelansatzes bestimmt. Dahingehend zielt das Projekt darauf ab, verteilte modellprädiktive Regelungsansätze mit unterlagerten Kraftreglern zu kombinieren. Diese kaskadierte Regelungsstruktur ermöglicht es, die beiden zentralen Regelungsziele, die Bewegung des Schwarms und die Regelung der Interaktionskräfte mit dem Objekt, auf unterschiedlichen Zeitskalen zu addressieren. Stellvertretend für die Klasse an Objekten, die großen Deformationen und Rotationen unterliegen, wird hier eine dünne Membran deformiert und so transportiert, dass sie immer straff gehalten wird. Die mobilen Roboter sind hierbei jeweils mit einem Seil an der Membran angebracht, sodass Zugkräfte ausgeübt und mit einem speziell entwickelten Kraftsensor gemessen werden können. Zur simulativen Untersuchung wird eine umfassende Programmumgebung entwickelt, die auf einem detaillierten Mehrkörpermodell basiert. Hierbei kommt die Absolute Nodal Coordinate Formulation zum Einsatz, um die großen Deformationen der Membran und die im Mittelpunkt stehende Interaktion mit den mobilen Robotern präzise abzubilden. Parallel dazu werden Hardware-Experimente durchgeführt, um die Simulationsergebnisse zu validieren. Dies umfasst die Entwicklung mobiler Roboter sowie die Untersuchung und Implementierung geeigneter Methoden für Sensorik, Regelung und Kommunikation. Hierdurch soll die häufig bestehende Lücke zwischen Regelungstheorie, detaillierten Mehrkörpersimulationen und Hardware-Experimenten in der verteilten Robotik geschlossen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Finnland
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Henrik Ebel