Untersuchung von Antrieben mit Kunststoff-Faserseilen für den Einsatz in Leichtbau-Gelenkarmrobotern

Abstract

Das erste Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Einsatztauglichkeit und Dauerhaltbarkeit von hochfesten Kunststoff-Faserseilen, z.B. aus High Modulus Polyethylene (HMPE), bei deren Einsatz mit engen Biegeradien in Seilzugantrieben wie dem DoHelix- oder Verdrill-Muskel (StMA). Aufbauend auf dieser Untersuchung und der Betrachtung ähnlicher Antriebskonzepte soll als zweites Ziel ein neues Konzept für einen Seilzugantrieb mit für die Servicerobotik geeigneten Charakteristika generiert werden. Dieser Antrieb soll als drittes Ziel der Arbeit prototypisch in einem Leichtbau-Gelenkarmroboter (LGR) zum Einsatz gebracht und validiert werden. Die Analyse zeigt, dass hochfeste Kunststoff-Faserseile bis dato nicht mit engen Biegeradien zum Einsatz kommen. Weiterhin wird festgestellt, dass nur wenige Untersuchungen zu dünnen, hochfesten Kunststoff-Faserseilen mit Durchmessern zwischen 1 mm und 2 mm durchgeführt wurden. Der Bedarf für experimentelle Reihenuntersuchungen wird abgeleitet. Gleichzeitig wird verdeutlicht, dass viele verschiedene Ansätze für Leichtbau-Gelenkarmroboter und deren Antriebe existieren, diese aber zumeist kostenintensiv sind und somit einen Großteil der Hardwarekosten eines mobilen oder stationären Serviceroboters ausmachen. Auf diesen Analysen aufbauend kann ein bis dato nicht adressierter Bereich für die Entwicklung eines neuen, bidirektional-wirkenden Antriebskonzepts mit Seilzügen identifiziert werden. Im Rahmen der Generierung des auf dem DoHelix-Muskel aufbauenden, bidirektional wirkenden QuadHelix-Antriebskonzepts werden Grundlagen zur Auslegung angegeben und der CAD-Entwurf für einen rotatorischen Freiheitsgrad vorgestellt. Die Untersuchungen zur Praxistauglichkeit und Dauerhaltbarkeit des neu generierten QuadHelix-Antriebs und der bereits bestehenden DoHelix- und Verdrill-Muskel-Konzepte werden in einer geeigneten, eigens generierten Testumgebung angegangen. Es werden nach der Erstellung eines Versuchsplans und einer Versuchsstrategie langlaufende Dauerhaltbarkeit-Versuche und kurzlaufende Belastung-Versuche mit unterschiedlichen Seilmaterialien und Zuladungen durchgeführt und anschließend ausgewertet. Für die abschließende Realisierung des Zielsystems eines Leichtbau-Gelenkarmroboters mit vier Freiheitsgraden wird aufbauend auf den hier gefundenen Ergebnissen ein biologisch-inspiriertes Antriebsmodul mit zwei Gelenkachsen entwickelt, das zwei parallel angeordnete QuadHelix-Antriebe zum Einsatz bringt. Wiederum zwei dieser Antriebsmodule, kombiniert mit einem Greifer, ergeben das Zielsystem, mit welchem eine Handhabungsoperation demonstriert wird. Final werden mögliche Ansätze für zukünftige Optimierungen des QuadHelix-Antriebs und des generierten LGRs „ISEALLA 2“ dargestellt und mögliche Folgeprojekte erläutert.

The first objective of this work is to determine usability and long-term capabilities of high-strength synthetic fiber ropes, e.g. High Modulus Polyethylene (HMPE), used with high bending radii for the DoHelix-Muscle and the Strand Muscle Actuator (StMA). The second objective of this work is to analyze the existing concepts and to derive a concept for a new, improved rope actuator, addressing service robotics needs. The third objective of this work is to develop a lightweight jointed-arm robot, which makes use of this newly developed actuation concept and validates the results found before. The analysis shows, that most research concerning high-strength synthetic fiber ropes is done for maritime usage scenarios and it reveals a research gap regarding small diameters and small bending radii. A strong need for an experimental setup is identified. At the same time, lightweight jointed-arm robots are a significant cost factor for service robotic applications. New, biologically inspired actuation concepts are a promising approach to reduce costs and to enhance the system’s capabilities. Following this path, an up to now not yet addressed research field for a bidirectional rope based actuator is identified. The QuadHelix-Drive, a new rope based actuator for robotic applications, is generated and a calculation method together with a three-dimensional CAD-model are presented. In a next step, experimental design and experimental strategy for parallel testing of different rope-based actuation systems are developed. Subsequently, the DoHelix-Muscle, the StMA and the QuadHelix-Drive are integrated into a newly designed testing facility for rope kinematic actuators, which fits the needs identified before. Long-term durability tests and short-term load tests with different rope materials and payloads are carried out. Based on these results, the targeted lightweight jointed-arm is developed. A biologically inspired modular design approach, using two modules with two degrees of freedom (DoF) combined with a Fraunhofer IPA gripper, is chosen to execute a service robotics pick-and-place scenario with a prototypic 4-DoF-jointed-arm robot. Finally, areas for future optimizations of the QuadHelix-Drive concept and the developed lightweight jointed-arm robot “ISELLA 2” together with possible follow-up research projects are outlined.