PortaSOR

Projektleiter: Dr. Ing. Oleg Ivlev
Ansprechpartner: Dipl. Ing. André Wilkening, Dipl.-Ing. David Baiden
 
Untersuchungen der Dynamik und Regelung bilden bei der Entwicklung neuer Generation von portablen Leichtbau-Robotern mit nachgiebigen fluidischen Gelenken die Grundlage für ein effizientes und zuverlässiges Funktionieren des Gesamtsystems.
Im Teilprojekt werden Methoden und Verfahren zur Regelung sowohl der einzelnen neuartigen Gelenkantriebe als auch des gesamten Roboterarmes unter Berücksichtigung der antriebsspezifischen Gelenkdynamik erforscht und untersucht. Im Unterschied zur Roboterarmen mit steifen elektromechanischen Gelenken, bei denen die störenden gegenseitigen dynamischen Einflüsse der Gelenke aufeinander größtenteils vernachlässigbar sind, können bei fluidischen Soft-Gelenken mit der regulierbaren, manchmal relativ niedrigen inneren Steifigkeit diese Effekte sehr negative Auswirkung haben. Diese sind zu untersuchen, einzuschätzen und ggf. in der übergeordneten Regelungsstrukturen zu berücksichtigen. Auch die Wirkung der Schwerkraft muss berücksichtigt und ggf. aktiv kompensiert werden.

Die folgenden Untersuchungen sind im Laufe des Projektes durchgeführt bzw. die folgenden Forschungsergebnisse erzielt worden:

• Modellierung der Roboterdynamik
  Zur Untersuchung der Dynamik von fluidischen Soft-Roboterarmen wurde ein spezielles Simulationswerkzeuges entwickelten – die SoftRob-Bibliothek. Basierend auf der MATLAB-Toolbox SimMechanics, umfasst diese Bibliothek eine Reihe von speziellen Simulink-Blöcken mit Modellen fluidischer Gelenkantriebe, der Druck- und Ventildynamik, sowie zur Bewegungsvorgabe usw. Bei der Simulation werden die antriebsspezifischen Anfangsbedingungen – Abhängigkeiten zwischen den Startwinkeln und Anfangsdrücken – berücksichtigt.

• Druckregelung
  Eine schnelle und präzise Druckregelung im innersten Regelkreis der fluidisch angetriebenen Robotergelenken ist die Voraussetzung für effektive Bewegungskontrolle des Gesamtroboters. Der nichtlineare modellbasierte Druckregler mit Feedback-Linearisierung (FL-Druckregler) wurde realisiert und in Kombination mit verschiedenen Durchfluss-Proportionalventilen erfolgreich getestet.

• Positionsregelung
  Die Positionsregelung von Einzelgelenke wird als Kaskadenstruktur realisiert mit dem FL-Druckregler in der inneren und einem Positionsregler in der äußere Schleife. Zur Regelung der Gelenkwinkelposition wird die nicht-modellbasierte SMCTE-Regelung (Quasi Sliding Mode Control with Time Delay Estimation) verwendet, wobei auch andere Regelungskonzepte wie z.B. eine Fuzzy-Regelung mit Parameteroptimierung mittels Genetischer Algorithmen untersucht wurden. Basierend auf den Einzelgelenkreglern wird eine dezentrale Positionsregelung vom Soft-Roboterarm im Gelenk- sowie in dem Arbeitsraum realisiert und durch eine übergeordnete Regelungsstruktur – Vorsteuerung mit modellbasierter Gravitationskompensation –  erweitert.

• Drehmomentregelung
  Die aktuellen Gelenk-Drehmomente können durch Messungen von Gelenkwinkelpositionen sowie von Drucken in den Antriebsarbeitskammern beobachtet, eingeschätzt und als Rückkopplungssignale für die sensorlose Drehmomentregelung verwendet werden. Ergänzt mit der modellbasierten Vorsteuerung (Gravitationskompensation) kann die freie Roboterarm-Führung z.B. für manuelle Bewegungsvorgabe realisiert werden.

• Interaktionsregelung
  Die Verwendung von inhärent nachgiebigen fluidischen Aktuatoren als Direkt-Gelenkantriebe erlaubt die Implementierung einer Kraft-  bzw. Interaktionsregelung von Soft-Roboterarmen ohne Einsatz von oft sehr kostenspieligen Kraft-/Drehmomentsensoren. Verschiedene Regelungsstrategien, u.a. adaptive kartesische Impedanz- und Admittanzkonzepte basierend auf der dezentralen Positionsregelung mit der modellbasierten Gravitationskompensation wurden untersucht und in der Simulation sowie experimentell getestet.