Modellierung, Synthese und modellbasierte Bewegungsplanung hyperredundanter, binär aktuierter Manipulatoren

Publikation: Qualifikations-/StudienabschlussarbeitDissertation

Autorschaft

  • Svenja Spindeldreier

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Details

Titel in ÜbersetzungModelling, synthesis and model-based motion planning for hyper-redundant, binary actuated manipulators
OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoktor der Ingenieurwissenschaften
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Tobias Ortmaier, Betreuer*in
Datum der Verleihung des Grades9 Dez. 2020
PublikationsstatusVeröffentlicht - 25 Jan. 2021

Abstract

Die Untersuchung von schwer zu erreichenden Hohlräumen durch schmale Zugänge wird im technischen Umfeld als Boroskopie und in der Medizin als Endoskopie bezeichnet. Wenn neben der reinen Inspektion auch eine Manipulation erfolgen soll, wird ergänzend zu einer guten Anpassbarkeit an gekrümmte Pfade auch eine stabile Arbeitsplattform zur Aufnahme von Manipulationskräften benötigt. Einen Ansatz, die daraus resultierenden Anforderungen an die verwendeten Systeme zu adressieren, stellen schlangenartige Roboter dar. Ihre hyperredundante Struktur aus einzelnen Stellgliedern bietet eine vielseitige Positionierbarkeit. Die Verwendung von binären, kippstabilen Aktoren beschränkt zwar den Arbeitsraum auf wenige diskrete Punkte, bietet aber – in Abhängigkeit vom Antriebsmechanismus – besonders hohe Haltemomente und ermöglicht damit eine gezielte Systemversteifung. Eine Kombination beider Ansätze zur Klasse der binär aktuierten, hyperredundanten Manipulatoren ist in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen, jedoch existiert deutlicher Forschungsbedarf hinsichtlich Methoden zur optimalen Auslegung sowie zur gezielten Verfolgung von Referenzpfaden, sodass Kern der vorliegenden Arbeit die Erforschung der modellbasierten Bewegungsplanung dieser Roboterklasse ist. Voraussetzung für eine hohe Pfadfolgegenauigkeit ist, dass der Manipulator sich grundsätzlich gut an einen vorgegebenen Referenzpfad anschmiegen kann. Der Einschränkungsgrad durch die diskrete Positionierbarkeit des Manipulators ist dabei abhängig von den geometrischen Parametern der einzelnen Segmente. Die Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen, dass durch die Analyse kinematischer Leistungsmerkmale, wie Arbeitsraum(-dichte) oder erzielbarer Krümmungsradius, kein allgemeingültiges optimales Design gefunden werden kann. Daher wird eine Maßsynthese unter Berücksichtigung von Randbedingungen entworfen, in der optimale geometrische Parameter eines einzelnen binären Aktors synthetisiert werden. Darauf aufbauend wird eine Pfadverfolgung gemäß dem „Follow-the-Leader“-Prinzip erarbeitet. Grundidee ist, dass das Endeffektorsegment den Referenzpfad exploriert, während alle weiteren Aktoren dem führenden Segment automatisch folgen. Da binäre Aktoren einen nicht-kontinuierlichen Schaltprozess aufweisen, wird ein modellbasierter Ansatz für die Bestimmung optimaler Schaltsequenzen vorgeschlagen, die zu jedem Zeitpunkt eine hohe Pfadtreue garantieren. Die anschließende experimentelle Evaluation erfolgt nach der Modellierung und Identifikation relevanter Parameter für den Prototyp einer elektromagnetischen Kippaktorkette. Grundsätzlich kann die Funktionsfähigkeit der in dieser Arbeit erforschten Methoden zur Bewegungsplanung sowohl in der Simulation als auch experimentell nachgewiesen werden.

Zitieren

Modellierung, Synthese und modellbasierte Bewegungsplanung hyperredundanter, binär aktuierter Manipulatoren. / Spindeldreier, Svenja.
2021. 185 S.

Publikation: Qualifikations-/StudienabschlussarbeitDissertation

Spindeldreier, S 2021, 'Modellierung, Synthese und modellbasierte Bewegungsplanung hyperredundanter, binär aktuierter Manipulatoren', Doktor der Ingenieurwissenschaften, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover. https://doi.org/10.15488/10346
Spindeldreier, S. (2021). Modellierung, Synthese und modellbasierte Bewegungsplanung hyperredundanter, binär aktuierter Manipulatoren. [Dissertation, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover]. https://doi.org/10.15488/10346
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TY - BOOK

T1 - Modellierung, Synthese und modellbasierte Bewegungsplanung hyperredundanter, binär aktuierter Manipulatoren

AU - Spindeldreier, Svenja

N1 - Dissertation

PY - 2021/1/25

Y1 - 2021/1/25

N2 - Die Untersuchung von schwer zu erreichenden Hohlräumen durch schmale Zugänge wird im technischen Umfeld als Boroskopie und in der Medizin als Endoskopie bezeichnet. Wenn neben der reinen Inspektion auch eine Manipulation erfolgen soll, wird ergänzend zu einer guten Anpassbarkeit an gekrümmte Pfade auch eine stabile Arbeitsplattform zur Aufnahme von Manipulationskräften benötigt. Einen Ansatz, die daraus resultierenden Anforderungen an die verwendeten Systeme zu adressieren, stellen schlangenartige Roboter dar. Ihre hyperredundante Struktur aus einzelnen Stellgliedern bietet eine vielseitige Positionierbarkeit. Die Verwendung von binären, kippstabilen Aktoren beschränkt zwar den Arbeitsraum auf wenige diskrete Punkte, bietet aber – in Abhängigkeit vom Antriebsmechanismus – besonders hohe Haltemomente und ermöglicht damit eine gezielte Systemversteifung. Eine Kombination beider Ansätze zur Klasse der binär aktuierten, hyperredundanten Manipulatoren ist in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen, jedoch existiert deutlicher Forschungsbedarf hinsichtlich Methoden zur optimalen Auslegung sowie zur gezielten Verfolgung von Referenzpfaden, sodass Kern der vorliegenden Arbeit die Erforschung der modellbasierten Bewegungsplanung dieser Roboterklasse ist. Voraussetzung für eine hohe Pfadfolgegenauigkeit ist, dass der Manipulator sich grundsätzlich gut an einen vorgegebenen Referenzpfad anschmiegen kann. Der Einschränkungsgrad durch die diskrete Positionierbarkeit des Manipulators ist dabei abhängig von den geometrischen Parametern der einzelnen Segmente. Die Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen, dass durch die Analyse kinematischer Leistungsmerkmale, wie Arbeitsraum(-dichte) oder erzielbarer Krümmungsradius, kein allgemeingültiges optimales Design gefunden werden kann. Daher wird eine Maßsynthese unter Berücksichtigung von Randbedingungen entworfen, in der optimale geometrische Parameter eines einzelnen binären Aktors synthetisiert werden. Darauf aufbauend wird eine Pfadverfolgung gemäß dem „Follow-the-Leader“-Prinzip erarbeitet. Grundidee ist, dass das Endeffektorsegment den Referenzpfad exploriert, während alle weiteren Aktoren dem führenden Segment automatisch folgen. Da binäre Aktoren einen nicht-kontinuierlichen Schaltprozess aufweisen, wird ein modellbasierter Ansatz für die Bestimmung optimaler Schaltsequenzen vorgeschlagen, die zu jedem Zeitpunkt eine hohe Pfadtreue garantieren. Die anschließende experimentelle Evaluation erfolgt nach der Modellierung und Identifikation relevanter Parameter für den Prototyp einer elektromagnetischen Kippaktorkette. Grundsätzlich kann die Funktionsfähigkeit der in dieser Arbeit erforschten Methoden zur Bewegungsplanung sowohl in der Simulation als auch experimentell nachgewiesen werden.

AB - Die Untersuchung von schwer zu erreichenden Hohlräumen durch schmale Zugänge wird im technischen Umfeld als Boroskopie und in der Medizin als Endoskopie bezeichnet. Wenn neben der reinen Inspektion auch eine Manipulation erfolgen soll, wird ergänzend zu einer guten Anpassbarkeit an gekrümmte Pfade auch eine stabile Arbeitsplattform zur Aufnahme von Manipulationskräften benötigt. Einen Ansatz, die daraus resultierenden Anforderungen an die verwendeten Systeme zu adressieren, stellen schlangenartige Roboter dar. Ihre hyperredundante Struktur aus einzelnen Stellgliedern bietet eine vielseitige Positionierbarkeit. Die Verwendung von binären, kippstabilen Aktoren beschränkt zwar den Arbeitsraum auf wenige diskrete Punkte, bietet aber – in Abhängigkeit vom Antriebsmechanismus – besonders hohe Haltemomente und ermöglicht damit eine gezielte Systemversteifung. Eine Kombination beider Ansätze zur Klasse der binär aktuierten, hyperredundanten Manipulatoren ist in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen, jedoch existiert deutlicher Forschungsbedarf hinsichtlich Methoden zur optimalen Auslegung sowie zur gezielten Verfolgung von Referenzpfaden, sodass Kern der vorliegenden Arbeit die Erforschung der modellbasierten Bewegungsplanung dieser Roboterklasse ist. Voraussetzung für eine hohe Pfadfolgegenauigkeit ist, dass der Manipulator sich grundsätzlich gut an einen vorgegebenen Referenzpfad anschmiegen kann. Der Einschränkungsgrad durch die diskrete Positionierbarkeit des Manipulators ist dabei abhängig von den geometrischen Parametern der einzelnen Segmente. Die Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen, dass durch die Analyse kinematischer Leistungsmerkmale, wie Arbeitsraum(-dichte) oder erzielbarer Krümmungsradius, kein allgemeingültiges optimales Design gefunden werden kann. Daher wird eine Maßsynthese unter Berücksichtigung von Randbedingungen entworfen, in der optimale geometrische Parameter eines einzelnen binären Aktors synthetisiert werden. Darauf aufbauend wird eine Pfadverfolgung gemäß dem „Follow-the-Leader“-Prinzip erarbeitet. Grundidee ist, dass das Endeffektorsegment den Referenzpfad exploriert, während alle weiteren Aktoren dem führenden Segment automatisch folgen. Da binäre Aktoren einen nicht-kontinuierlichen Schaltprozess aufweisen, wird ein modellbasierter Ansatz für die Bestimmung optimaler Schaltsequenzen vorgeschlagen, die zu jedem Zeitpunkt eine hohe Pfadtreue garantieren. Die anschließende experimentelle Evaluation erfolgt nach der Modellierung und Identifikation relevanter Parameter für den Prototyp einer elektromagnetischen Kippaktorkette. Grundsätzlich kann die Funktionsfähigkeit der in dieser Arbeit erforschten Methoden zur Bewegungsplanung sowohl in der Simulation als auch experimentell nachgewiesen werden.

U2 - 10.15488/10346

DO - 10.15488/10346

M3 - Dissertation

ER -