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Transcript of Ein adaptiver Roboter zum Aufbau programmierbarer ...· Ein adaptiver Roboter zum Aufbau...

  • Ein adaptiver Roboter zum Aufbau programmierbarer Strukturen in der Ebene

    Pieber, Michael; Neurauter, Rene; Gerstmayr, Johannes

    In: IFToMM D-A-CH Konferenz / Vierte IFToMM D-A-CH Konferenz 2018

    Dieser Text wird ber DuEPublico, dem Dokumenten- und Publikationsserver der UniversittDuisburg-Essen, zur Verfgung gestellt.

    Die hier verffentlichte Version der E-Publikation kann von einer eventuell ebenfallsverffentlichten Verlagsversion abweichen.

    DOI: https://doi.org/10.17185/duepublico/45335

    URN: urn:nbn:de:hbz:464-20180213-145624-5

    Link: http://duepublico.uni-duisburg-essen.de/servlets/DocumentServlet?id=45335

    https://doi.org/10.17185/duepublico/45335http://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:464-20180213-145624-5http://duepublico.uni-duisburg-essen.de/servlets/DocumentServlet?id=45335
  • Ein adaptiver Roboter zum Aufbau programmierbarer Strukturen inder Ebene

    An adaptive robot for building in-plane programmable structures

    Michael Pieber, Rene Neurauter, Johannes Gerstmayr,Universitt Innsbruck, Institut fr Mechatronik, 6020 Innsbruck, sterreich,{michael.pieber, rene.neurauter, johannes.gerstmayr}@uibk.ac.at

    Kurzfassung

    In der vorliegenden Arbeit wird ein vollstndig neuer Ansatz fr zellulare Roboter vorgestellt. Die einzelnen Elemente desRoboters sind dreieckige, vernderliche Zellen, welche jeweils drei aktuierbare Seitenkanten besitzen. Die wesentlicheNeuerung ist die Verbindung der vernderlichen Zellen an den Seitenkanten, wodurch aufgrund der speziellen Kinematikder Zellen allgemeine unstrukturierte Dreiecksnetze nachgebildet werden knnen. Der zellulare Roboter ist dadurch inder Lage, nahezu beliebige Gestalten anzunehmen und er kann sich selbst rekonfigurieren. Der Roboter, welcher auchals programmierbare Struktur verstanden werden kann, wurde in einer frheren Arbeit mit vereinfachter tetraedrischerKinematik auch als rumliches System entwickelt und soll eine Grundlage fr ein programmierbares Material dienen.In der vorliegenden Arbeit werden die Komponenten des mechatronischen Prototyps sowie dessen Kinematik vorgestellt.Modelle fr die Aktoren und die Dreieckselemente werden verwendet um Positionierungsfehler zu reduzieren. Aus dengemessenen Positionen und den Sollpositionen werden die Positionierungsfehler des zugrundeliegenden (idealisierten)Dreiecksnetzes berechnet. Der Einsatz vereinfachter Modelle der realen Kinematik des adaptiven Roboters liefert dieMglichkeit zur Korrektur der Linearaktoren um die Positionierungsfehler zu minimieren. Die Parameter dieser Modellewerden aus einfachen Bewegungsablufen identifiziert.

    Abstract

    A new approach for cellular robots is presented. The single elements of the robot are triangular cells, which can changetheir shape by means of linear actuators at each edge. The novelty concerns the connection of autonomous cells at theiredges rather than at the vertices. In this way, unstructured triangular meshes can be formed. The robot can self-reconfigureand thus can reproduce almost arbitrary planar shapes. In a similar way, the system has been realized with tetrahedrons ina simplified way within a previous work. The self-reconfigurable system shall serve as a basis for a programmable matter.The present paper includes the mechatronic design, its components and the kinematic model. In order to reduce positio-ning errors, a model is developed, which considers compliance and clearance in the links and joints. Based on a simplifiedmechanical model using elastic trusses, the positioning errors can be prediced. The parameters of these models are identi-fied from simple motion sequences. Furthermore, the nonlinearity of actuators is identified and corrected. In this way, thedesired triangular shapes can be prescribed without measuring the position of the cells.

    1 Einleitung

    Modulare Roboter unterscheiden sich von herkmmlichenIndustrierobotern dadurch, dass sie mit modularen Kom-ponenten eine Anpassung an unterschiedliche Aufgabenerlauben. Zellulare Roboter sind in der Regel aus identi-schen Modulen aufgebaut. Whrend die einzelnen Kom-ponenten einfach sind, knnen erst im Kollektiv komple-xere Aufgabenstellungen bewltigt werden. Aufgrund dergroen Anzahl von Zellen, ist die Fhigkeit zur Selbst-Rekonfiguration unabdingbar. Whrend schon modula-re wrfel- oder kugelfrmige Roboter entwickelt wur-den [1, 2], so sind diese aufgrund der bisher sehr einge-schrnkten Fhigkeiten nicht in konkreten Anwendungeneingesetzt worden [3]. Der von uns entwickelte RoboterAdaptiver Roboter mit Dreieckiger Struktur (ARDS),ist aus mehreren autonomen, selbst-rekonfigurierbarenAdaptiven Dreieckigen Elementen (ADE) aufgebaut. Die-se Elemente knnen sich eigenstndig miteinander verbin-

    den und innerhalb der geometrischen Grenzen der Zellenbeliebige ebene Strukturen nachbilden, vgl. Bild 1. Um einunstrukturiertes Dreiecksnetz mit ADEs nachzubilden unddieses zu verformen, mssen die Drehpunkte der Dreieckemit den Knoten des unterlagerten Netzes rtlich zusam-menfallen hnlich zu Finite-Elemente-Netzen. Zu diesemZweck werden Scherengelenke eingefhrt, welche einenexakten Drehpunkt auerhalb von mechanischen Bautei-len zulassen, vgl. auch [4]. Vorhandene modulare Roboterwie Odin [5] oder ARTS [6, 7] besitzen eine tetraedrischeGrundstruktur, jedoch knnen mit diesen Robotern nochkeine selbst-rekonfigurierenden geschlossenen Strukturenmit exakten Knotenpunkten und Kanten realisiert werden.ARDS ist somit in der Lage computergesteuerte Formenbzw. Objekte zu bilden, welche als Ergnzung zu Audio-und Video-bertragung per Internet auch ein Objekt-Streaming zulsst. Weiters sind Augmented Reality An-wendungen als auch ein Einsatz zur adaptiven Architektur,im Sinne einer programmierbaren Struktur denkbar. Letzt-

  • lich soll das System einen Ansatz fr eine Programmier-bare Materie bieten.In der vorliegenden Arbeit werden in Abschnitt 2 der Auf-bau, die Kinematik, die programmierbaren und die mecha-tronischen Komponenten eines bereits realisierten Proto-typs erlutert. In Abschnitt 3.1 wird gezeigt, wie Positio-nierungsfehler in den Aktoren korrigiert werden. Ein me-chanisches Modell eines Stabwerks, welches Reibung mitdem Boden bercksichtigt, wird schlielich zur Verbes-serung der Positioniergenauigkeit in Abschnitt 3.2 entwi-ckelt, die Umrechnung der Messpunkte zu den Drehpunk-ten in Abschnitt 4 beschrieben und in Abschnitt 5 durchVersuche erprobt.

    Bild 1 Beispiele von Strukturen mit ARDS. Fr die Realisie-rung der Dreiecksnetze mssen die Drehpunkte der einzelnen Sei-tenkanten der Dreiecke auerhalb der mechanischen Komponen-ten liegen.

    2 Ein adaptiver Roboter

    Damit ein Dreiecksnetz aus Bild 1 durch adaptive Zel-len aufgebaut werden kann, mssen diese unterschiedlicheDreiecksgestalt annehmen, d.h. variable Seitenlngen undWinkel besitzen. Um aus vier Zellen ein Rechteck bildenzu knnen, welches fr den am Ende der Arbeit vorgestell-ten Umformvorgang notwendig ist, muss ein einzelnes Ele-ment mindstens einen Winkel von 90 annehmen knnen dies entspricht einer Verlngerung der Seitenkanten um41,5%. Der Aufbau eines solchen Elements, seine Kom-ponenten und die Ansteuerung von ARDS werden in dennchsten Unterkapiteln beschrieben.

    2.1 ADE

    Jedes ADE, siehe Bild 2, besitzt an den Seitenkanten Li-nearaktoren (2) der Firma Actuonix [8], welche sich biszu 66% verlngern knnen. Die Scherengelenke (4) er-mglichen einen ffnungswinkel im Bereich von 41 bis92 . Die Elektronik (1) besteht aus einem Mikrocontrol-ler, Funk-Modul, zwei LEDs fr Status-Meldungen sowieeinem Buzzer und fr eine autonome Energieversorgungbesitzt jedes Element einen LiPo-Akku (3). Fr die mecha-nische Verbindung der Elemente zu einem Dreiecksnetz,steht an jeder Seitenkante ein Verbindungsmechanismus(5) zur Verfgung. Die Verbindung kann aktiv durch einenintegrierten Elektromagneten wieder geffnet werden. Dieschematische Darstellung des mechatronischen Systems istin Bild 3 angefhrt. Die Hauptkomponenten des ADE wer-

    den im Folgenden beschrieben.

    Bild 2 CAD-Zeichnung des Aufbaus eines adaptiven dreiecki-gen Elements (ADE).

    Bild 3 Schematische Darstellung der Komponenten des Mecha-tronischen Systems eines ADEs.

    2.1.1 Scherengelenke

    Ziel der hier vorgestellten Scherengelenke ist es, eine idea-le Dreiecksgeometrie nachzubilden, welche am uerenRand der ADEs liegt und in Bild 4 als blau gestrichelteLinie dargestellt ist. Derartige Gelenke wurden bereits beiTetrobot [4] in sphrischen Gelenken eingesetzt. An denPunkten C,D,G, I in Bild 4 sind die Scherengelenke an dieSeitenkanten des ADE angebunden. Die Punkte A,B,K,Jbezeichnen die auf das ideale Dreieck normal projiziertenScherengelenkspunkte. Der Winkel beschreibt den Win-kel zwischen den Seitenkanten des idealen Dreiecks. Frdie Konstruktion und die Kinematik sind die Abmessun-gen L1,L2,L3 ausschlaggebend. Der Parameter L3 legt denAbstand der Gelenke vom idealen Dreieck fest,

    AC = BD = GK = IJ = L3, (1)

    wobei AC den Abstand zwischen den Punkten A und C be-zeichnet. Die Lnge L3 muss mindestens so gro sein, dassdie Gelenke nicht ber das ideale Dreieck hinausragen, vgl.Bild 5. Der Parameter L1 bestimmt die Entfernung desDrehpunktes zum Scherengelenk, siehe Bild 4 und Bild 5,wobei bei minimalem Winkel die Lnge L1 den zulssi-gen Bauraum im Bereich des Gelenks vorgibt. Der Winkel zwischen DF und FH bzw. GF und FE beeinflusst dieGre des Scherengelenks und die erreichbaren minimalen

  • sowie maximalen Winkel des Scherengelenks,

    = tan1(

    L3

    L1

    )

    . (2)

    Zustzlich lassen sich die folgenden Abmessungen ber L3und angeben,

    CE = DF = FG = HI =L3

    sin(). (3)

    Der Parameter L2 beeinflusst vorwiegend die Steifigkeitdes Scherengelenks und tritt an folgenden Abstnden auf,

    AB =CD = EF = FH = GI = JK = L2. (4)

    Die Abmessungen und Hbe der Aktoren [8] ergeben dieDimensionen des Scherengelenks, welche