Konzeption und Implementierung einer Kraftregelung für die aktiven Flipper des mobilen Robotersystems Moebhius

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

1.1. Aufbau des Moebhiu²s Robotersystems

1.2. Motivation

1.3. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit

2. Stand der Technik und Forschung bei mobilen Robotersystemen

2.1. Historische Entwicklung mobiler Robotersysteme

2.1.1. Erste Implementationen

2.1.2. Klassifizierung heutiger mobiler Robotersysteme

2.2. Regelung mobiler Robotersysteme

2.3. Regelungskonzepte

2.3.1. Roboter-Positionsregelung

2.3.2. Roboter-Kraftregelung

2.3.3. Hybride Kraft- und Positionsregelung

3. Kraftregelung in der Robotik

3.1. Grundlagen der Kraftregelung

3.2. Kontaktmodellierung zwischen Robotersystem und Umwelt

3.3. Kennwerte des Kontaktes

3.3.1. Kraft und Drehmoment im Kontakt

3.3.2. Impedanz und Admittanz des mobilen Robotersystems

3.4. Übersicht bekannter Kraftregelungsverfahren

3.4.1. Nachgiebige Roboterapplikationen

3.4.2. Impedanzregelung

3.4.3. Admittanzregelung

3.4.4. Explizite Kraftregelung

3.4.5. Kaskadierte Kraftregelung

3.4.6. Adaptive Kraftregelung

4. Auswahl eines Kraftregelungsverfahrens für die Flipper des Moebhiu²s

4.1. Anforderungen an eine Regelung der Flipper

4.2. Bewertung und Auswahl der Regelverfahren

4.2.1. Bewertung der Regelungsprinzipe

4.2.2. Bewertung der Regelungsverfahren

5. Auslegung und Evaluierung der Impedanzregelung

5.1. Modellierung der Impedanzregelung

5.2. Implementierung des Reglerentwurfs

5.3. Vorstellung des eingesetzten Prüfstandes

5.4. Empirische Dimensionierung der Regelparameter

5.4.1. Theorie des empirischen Optimierens

5.4.2. Anforderung an die Dimensionierung der Regelparameter

5.5. Auslegung der Impedanzregelung am Prüfstand

5.5.1. Definition der Simulationsbedingungen

5.5.2. Simulation „Fahren auf einer Ebene mit Hindernissen“

5.6. Erprobung der Regelung in dynamischen Einsatzumgebungen

5.6.1. Simulation „Fahren auf einer schiefen Ebene“

5.6.2. Simulation „Unregelmäßige Wellenbahn mit niedriger Frequenz“

5.6.3. Simulation „Regelmäßige Wellenbahn mit hoher Frequenz“

6. Zusammenfassung und Ausblick

Zielsetzung & Themen

Diese Arbeit zielt darauf ab, effektive Kraftregelungskonzepte für die aktiven Ketten-Flipper des mobilen Robotersystems "Moebhiu²s" zu entwickeln und zu implementieren, um dessen Mobilität und Traktion in unstrukturiertem Terrain zu maximieren. Im Fokus steht dabei die Bewältigung statisch nicht eindeutig definierter Auflagepunkte und die Optimierung der Interaktion zwischen Roboter und Untergrund.

• Entwicklung und Evaluation von Regelungsstrategien für mobile Robotersysteme.
• Konzeption und Implementierung einer Impedanzregelung zur Kraftrückkopplung.
• Empirische Dimensionierung und Optimierung von Regelparametern am Prüfstand.
• Simulation verschiedener Geländetopologien zur Validierung der Echtzeitfähigkeit und Stabilität.
• Minimierung von Latenzzeiten durch direkte Einbettung des Regelalgorithmus in die Motorsteuerung.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1. Einleitung: Vorstellung des Robotersystems "Moebhiu²s", dessen Aufgabenstellung in Trümmerstrukturen sowie die Motivation und Zielsetzung der Arbeit.

2. Stand der Technik und Forschung bei mobilen Robotersystemen: Historischer Rückblick, Klassifizierung mobiler Roboter und Grundlagen der Regelungstechnik bei Robotersystemen.

3. Kraftregelung in der Robotik: Theoretische Grundlagen zur Kontaktmodellierung und Vorstellung verschiedener Verfahren zur Kraftregelung, wie Impedanz- und Admittanzregelung.

4. Auswahl eines Kraftregelungsverfahrens für die Flipper des Moebhiu²s: Evaluierung der Anforderungen an die Flipperregelung und Auswahl der Impedanzregelung als geeignetes Verfahren.

5. Auslegung und Evaluierung der Impedanzregelung: Detaillierte Beschreibung des Reglerentwurfs, der Implementierung am Prüfstand und Validierung durch Simulation verschiedener Terraintypen.

6. Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der Ergebnisse und Diskussion möglicher zukünftiger Erweiterungen der Regelungsarchitektur.

Schlüsselwörter

Kraftregelung, Impedanzregelung, mobile Robotersysteme, Flipper, Traktion, Echtzeitfähigkeit, Roboternachgiebigkeit, Sensorik, Moebhiu²s, Kontaktmodellierung, Bewegungsregelung, PID-Regler, Antriebsstrang, Geländegängigkeit, Systemstabilität.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?

Die Arbeit befasst sich mit der Konzeption und Implementierung einer Kraftregelung für die aktiven Flipper eines modularen, mobilen Robotersystems namens "Moebhiu²s", um dessen Bewegungsfähigkeit in unstrukturierten Umgebungen wie Trümmerstrukturen zu verbessern.

Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?

Die zentralen Felder sind die Regelungstechnik für mobile Roboter, die Modellierung mechanischer Kontakte zwischen Roboter und Untergrund sowie die praktische Umsetzung von Kraftregelstrategien zur Optimierung der Traktion.

Was ist das primäre Ziel der Arbeit?

Das primäre Ziel ist es, durch den Einsatz elastischer Komponenten bzw. virtueller Impedanzen eine optimierte Lokomotion zu erreichen, die es dem Roboter erlaubt, Hindernisse besser zu überwinden und die Bodenhaftung zu erhöhen.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Es wird ein empirischer Ansatz gewählt, bei dem Regelparameter an einem Motorprüfstand unter Simulation verschiedener Geländetopologien optimiert werden, anstatt sich ausschließlich auf rein analytische Herleitungen zu stützen.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil umfasst die theoretische Herleitung der Kontaktmodellierung, die methodische Bewertung verschiedener Kraftregelungsverfahren, die konkrete Auswahl und Auslegung der Impedanzregelung sowie deren experimentelle Erprobung am Prüfstand.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Zu den prägenden Begriffen gehören Kraftregelung, Impedanzregelung, mobile Robotersysteme, Flipper, Roboternachgiebigkeit und Echtzeitfähigkeit.

Warum wird die Impedanzregelung anderen Verfahren vorgezogen?

Die Impedanzregelung kombiniert hohe Dynamik mit Flexibilität und ermöglicht eine gute Anpassung an die Gegebenheiten des Antriebsstrangs, während sie gleichzeitig die bei der direkten Kraftregelung auftretenden Messungenauigkeiten durch die Nutzung von Positionsdaten (via Encoder) umgeht.

Wie wurde die Echtzeitfähigkeit der Regelung sichergestellt?

Um Latenzzeiten zu minimieren und die Überlastung des Kommunikationsbus zu verhindern, wurde der Regelalgorithmus direkt auf der motoreigenen Steuerung eingebettet.