Modellierung und modellbasierte Regelung von Kontinuum-Manipulatoren

Von:

Valentin Falkenhahn

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Kontinuum-Manipulatoren gehören zu einer neuartigen Roboterklasse und erschließen durch ihre gelenkfreien, kontinuierlichen Verformungen neue Anwendungsfelder. Für die praktische Anwendbarkeit von Kontinuum-Manipulatoren sind schnellere und präzisere Bewegungen erforderlich. Daher wird eine modellbasierte Folgeregelung der Aktorkoordinaten entwickelt, die ein gutes Führungsverhalten und verbessertes Störverhalten bei dynamischer Anregung ermöglicht. Die Vorgabe der Führungsgrößen erfordert Methoden der Trajektoriengenerierung. Die Entwicklung dieser Methoden und deren experimentelle Umsetzung erfolgt anhand eines Beispielmanipulators, des pneumatisch aktuierten Bionischen Handling-Assistenten (BHA). Im Rahmen der dynamischen Modellierung wird die verteilte Manipulatormasse über konzentrierte Sektionsmassen approximiert. Die kinematische Beschreibung des Manipulators erfolgt über den Ansatz konstanter Sektionskrümmungen. Darauf aufbauend wird das dynamische Modell über ein Ersatzmodell mit konzentrierten Massen hergeleitet, sodass die Bewegungsgleichungen der Aktoren in klassischer Form vorliegen. Für den Reglerentwurf werden modellbasierte Zustandslinearisierungen mit linearen PID-Reglern und Vorsteuerungen kombiniert. Der entwickelte modellbasierte Regler mit einem signifikant verbesserten Führungs- und Störverhalten erlaubt schnelle und präzise Bewegungen generierter Aktortrajektorien aus Vorgaben von Aufgabenkoordinaten. Für die Trajektoriengenerierung werden beispielhaft zeitoptimale Punkt-zu-Punkt-Trajektorien und onlinefähige TCP-Geschwindigkeitsvorgaben vorgestellt. Darüber hinaus kann das entwickelte dynamische Modell für erweiterte Reglerkonzepte hinsichtlich TCP-Regelungen oder Kraft- bzw. Impedanzregelungen verwendet werden.