Konzeption, Konstruktion und Evaluierung einer Dreiachskinematik als Kopf- und Torsogelenk eines Serviceroboters

Abstract

Die Entwicklung von Servicerobotern für das häusliche Umfeld und den Umgang mit Menschen stellt ein ganze Reihe von Anforderungen, die bei industriellen Robotern nicht relevant sind. Durch das Format des Menschen und der daraus folgenden Gestaltung der Umgebung, ergibt sich auch für einen Serviceroboter das er eher hoch als breit ist und der Arbeitsraum der Manipulatoren und Sensoren den gesamten Bereich um den Roboter abdecken muss. Herausforderungen dabei sind, das statische Gleichgewicht zu bewahren, Kräfte und Momente in den Achsen aufzunehmen zu können, den geringen verfügbaren Bauraum maximal zu nutzen und den Roboter sicher für den Nutzer zu gestalten. Darüber hinaus muss ein Roboter auch in Formsprache und Bewegung den Nutzer ansprechen und darf keine Angst auslösen. In dieser Arbeit wird eine Achsanordung als Torso und Kopfgelenk vorgeschlagen, welche auf diese Anforderungen ausgelegt ist. Die ähnlich zu einem Kugelgelenk ausgeführte Kinematik vereint die Möglichkeit den Arbeitsraum von Manipulatoren und Sensoren ausreichend zu erweitern, ist besonders bauraumsparend und durch ihren Aufbau intrinsisch sicher. Zudem sind in den beiden häufigsten Positionen die Antriebe lastfrei, was wertvolle Energie auf einem mobilen System spart. Es werden die Herleitung der Gelenkanordnung, die mathematische Beschreibung, die Grenzen der Kinematik und die Integration in den Serviceroboter \cobv beschrieben. Auch weitere Anwendungen werden angesprochen.

The development of service robots for the domestic environment and for the interaction with people generates a whole series of requirements that are not relevant for industrial robots. Due to the human format and the resulting design of the environment, a service robot is also more tall than wide and the working area of the manipulators and sensors must cover the entire area around the robot. The challenges here are to maintain the static equilibrium, to be able to absorb forces and moments in the axes, to make maximum use of the limited space available and to make the robot safe for the user by design. In addition, a robot must address the user in terms of form and movement and must not cause fear. In this thesis, an axis arrangement as a torso and head joint is proposed, which is designed for these requirements. The kinematics, which is similar to a ball joint, combines the possibility of sufficiently expanding the working area of manipulators and sensors, is particularly space-saving and thanks to its design, is intrinsically safe. In addition, the drives are load-free in the two most common positions, which saves valuable energy on a mobile system. The derivation of the joint arrangement, the mathematical description, the limits of the kinematics and the integration into the service robot \cobv are described as well. Also further applications are discussed.