Konstruktion und Steuerung von Schreitrobotern mit ballistischem Laufverhalten

Abstract

Mobile Schreitroboter finden immer häufiger Einsatz im industriellen Umfeld, bei Serviceaufgaben, bei planetaren Erkundungen, im Haushalt usw. Trotz intensiver Forschungen auf diesem Gebiet gibt es weiterhin eine Reihe offener Fragen, die die Entwicklung einer robusten und gleichzeitig flexiblen, mechatronischen Konstruktion, echtzeitfähiger Steuerungssysteme sowie energieoptimierte Bewegungsabläufe betreffen. Von besonderem Interesse sind dabei anthropomorphe, zweibeinige Roboter. Einerseits eignen sich diese am besten für den Einsatz in einer von Menschen bewohnten Umgebung und finden damit erhöhte Akzeptanz im gemeinschaftlichen Zusammenleben. Anderseits tragen mobile Schreitroboter zum besseren Verständnis des menschlichen Gehens bei und ermöglichen dadurch die Weiterentwicklung von Mechanismen wie medizinischer Prothesen und Exoskeletten. Mobile Schreitroboter verfügen entsprechend ihrer biologischen Vorbilder über eine komplexe mechanische Struktur mit mehreren Freiheitsgraden. Die koordinierte und aufgabenspezifische Ansteuerung aller Freiheitsgrade ist eines der Hauptziele im Bereich der Schreitrobotertechnik. Die vorliegende Arbeit widmet sich der systematischen Entwicklung mechatronischer Strukturen mobiler Schreitroboter sowie der Entwicklung von Steuerungssystemen und Bewegungsalgorithmen für deren Gleichgewichtserhaltung. Besonderer Wert wird auf die Entwicklung von Methoden zur Generierung ballistischer Bewegungen von komplexen mechanischen Systemen am Beispiel von zweibeinigen, mobilen Robotern gelegt, die zur wesentlichen Vereinfachung des Steuerungskonzeptes führen und das wissenschaftliche Ziele dieser Arbeit bilden. Zum Nachweis der Wirksamkeit der vorgeschlagenen Steuerungsmethoden und Regelungsalgorithmen wurden außerdem folgende technische Ziele definiert: • Entwurf und RealisierungImplementierung von mechatronischen Konstruktionen und Steuerungssystemen für einen zweibeinigen, mobilen Roboter ROTTO sowie einen sechsbeinigen, mobilen Roboter ANTON; • simulative und experimentelle Erprobung der vorgeschlagnen Methode zur Generierung ballistischer Bewegungen am zweibeinigen, mobilen Roboter ROTTO unter Verwendung von hybriden Simulationstechniken. Beide Roboter verfügen über mehrere aktive Freiheitsgrade, die über ein vernetztes Antriebsystem geregelt werden. Die elektrischen Antriebe sind sehr effizient im Bezug auf Kosten, Energieverbrauch und Leistungsdichte ausgelegt. Die integrierte Sensorik erfasst alle zur Lokomotion notwendigen Informationen, wie Körperkonfiguration, Orientierung im Gravitationsfeld, mechanische Kontaktkräfte sowie stereoskopische Videoinformation. Die Roboterkonstruktionen, die im Rahmen dieser Arbeit entworfen wurden, zeichnen sich durch einfache aber dennoch für Lokomotionsaufgaben ausreichende Kinematiken mit optimalen Verhältnissen und größtmöglichen Arbeitsbereichen aus. Sowohl die mechanische Struktur als auch das hierarchische Steuerungssystem beider Roboter sind modular aufgebaut. Die sechsbeinigen bzw. zweibeinigen, mobilen Prototypen stellen somit solide Testplattformen für verschiedene Steuerungs- und Regelungsstrategien dar, die für zukünftige Arbeiten in diesem Bereich verwendet werden können. Zu den wichtigsten Ergebnissen der vorliegenden Arbeit gehört der experimentelle Nachweis der Funktionsfähigkeit der erarbeiteten Methode zur Generierung der ballistischen Bewegungstrajektorien für ein komplexes mechanisches System, wie es der zweibeinige, mobile Schreitroboter ROTTO darstellt.