Entwicklung und Analyse nachgiebiger pneumatischer Drehantriebe

Abstract

Für den Antrieb kollaborativer Knickarmroboter stellen pneumatische Antriebe eine Alternative zu den bewährten elektrischen Antriebseinheiten dar. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst hergeleitet, welche charakteristischen Eigenschaften pneumatische Drehantriebe für den Einsatz in kollaborativen Knickarmrobotern haben sollten (servopneumatisch positionierbar, nachgiebig, endlos drehbar). Nach einem Überblick zum Stand der Technik werden drei mechanische Antriebskonzepte vorgestellt, in denen jeweils ein mechanisches Funktionsprinzip mit geeigneten Aktoren kombiniert wird. Im ersten Antriebskonzept werden pneumatische Faltenbälge in Kombination mit dem mechanischen Funktionsprinzip einer Schubkurbel bzw. Kurbelwelle eingesetzt. Das zweite Antriebskonzept nutzt eine Taumelscheibe, um die Zugkraft pneumatischer Muskeln zu wandeln und eine endlose Drehung der Welle zu bewirken. Neu entwickelte Aktoren aus Feuerwehrschlauch - die sogenannten Fire-Hose-Actuators - kommen im dritten Antriebskonzept zum Einsatz. Die Aktoren üben darin eine Druckkraft auf den exzentrischen Teil der Antriebswelle aus. Es wird erneut das Funktionsprinzip einer Schubkurbel genutzt. In der Modellbildung wird ein allgemeines, parametrierbares Modell für den Länge-Druck-Kraft-Zusammenhang der Aktoren präsentiert und für alle Drehantriebe ein Modell des statischen Drehmoments hergeleitet. Darüber hinaus wird eine Theorie entwickelt, die für endlos drehbare Antriebe bereits in der Entwurfsphase eine grobe Abschätzung des maximal kontinuierlich verfügbaren Drehmoments anhand weniger Eingangsparameter liefert. In der Evaluation wird die statische Drehmomentverteilung aller Drehantriebe gemessen. Alle Drehantriebe sind endlos drehbar und verfügen über eine einstellbare Steifigkeit. Das maximal kontinuierlich verfügbare Drehmoment der Antriebe kann mit 4,3 Nm, 17,6 Nm und 63,1 Nm angegeben werden. Eine servopneumatische Positionierung ist mit allen Drehantrieben möglich.

When it comes to the actuation of collaborative articulated robots, pneumatic drives represent an interesting alternative to the proven electric drive units. In the present work it is first derived which characteristics pneumatic rotary drives should have for the later use in collaborative articulated robots (servopneumatically positionable, compliant, continuous rotation). After an overview on the state of the art, three mechanical drive concepts are presented that combine a mechanical operating principle with suitable actuators. In the first drive concept, pneumatic bellows are used in combination with the mechanical operating principle of a slider-crank linkage or crankshaft. The second drive concept uses a swash plate to convert the tensile force of the pneumatic artificial muscles into an endless rotation of the driveshaft. Newly developed actuators made of fire hose - the so-called fire-hose-actuators - are used in the third drive concept. Herein, the actuators exert a compressive force onto the eccentric part of the drive shaft. Thus, the operating principle of a slider-crank linkage is applied. A parametric model for the length to pressure to force relation that is suitable for all actuators in this work is presented. Moreover, a model of the static torque distribution is derived for all rotary drives. In addition, for drive units with continuous rotation a theory is developed, that provides a rough estimate of the maximum continuous torque already in the design phase. In the evaluation the static torque distribution of all rotary drives is measured. All rotary actuators are capable of continuous rotation and feature adjustable stiffness. The maximum continuous torque of the drives is found to be 4.3 Nm, 17.6 Nm and 63.1 Nm. Servopneumatic positioning is possible with all rotary drives.