Modellbasierte Methoden für Kontinuum-Manipulatoren zur Regelung, Steuerung und Interaktion mit der Umwelt

Von:

Daniel Müller

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In dieser Arbeit werden modellbasierte Methoden zur Interaktion mit der Umwelt für Kontinuum-Manipulatoren hergeleitet. Dafür wird zunächst ein dynamisches Modell unter Berücksichtigung der nachgiebigen Materialien hergeleitet. Das Modell dient als Grundlage für den Regelungs- und Steuerungsentwurf, wodurch sich strikte Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit ergeben. Um die Anforderungen zu erfüllen, wird ein reduziertes Materialmodell entwickelt, welches physikalisch interpretierbar ist, aber gleichzeitig online berechenbar. Aufbauend auf dem Modell wird eine kaskadierte Regelstrategie verfolgt, wobei in der äußeren Schleife eine Gelenkwinkelregelung basierend auf dem Computed-Torque-Ansatz implementiert wird und in der inneren Schleife eine auf einer Eingangs-/Ausgangslinearisierung basierende Druckregelung umgesetzt wird. Zur Kompensation der Modellunsicherheiten wird weiter ein nichtlinearer modellbasierter Störgrößenbeobachter implementiert. Die bestehende Positionsregelung wird in einer hybriden Kraft- und Positionsregelung eingebettet und um die modellbasierte Kraftregelung ergänzt. Zuletzt wird unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Manipulators eine Optimalsteuerung entworfen, welche Interaktionskriterien berücksichtigt. Dabei wird die Steifigkeit in Bewegungsrichtung, die Nachgiebigkeit in orthogonale Richtungen und die Detektierbarkeit externer Kräfte während der freien Bewegung unter den systemdynamischen Nebenbedingungen optimiert. Das entwickelte Gesamtkonzept wird an einem nachgiebigen Kontinuum-Manipulator, dem Bionischen Soft Arm, implementiert und experimentell validiert.