Entwurf, Auslegung und Umsetzung eines Systems neuartiger Gelenkmodule für rekonfigurierbare Leichtbau-Gelenkarmroboter

Leichtbauroboter finden zunehmend Anwendung in der Lösung bislang nicht automatisierbarer Prozesse. Ein wesentliches Augenmerk liegt auf der Servicerobotik, deren Kernpunkt in einer Kooperation zwischen Mensch und dienstleistendem Roboter begründet ist. Die vorliegende Arbeit schlägt einen Baukasten von Leichtbau-Gelenkmodulen und geeigneten Verbindungselementen zur Herstellung von Leichtbaurobotern vor, die für Dienstleistungsaufgaben im öffentlichen, industriellen und medizinischen Umfeld geeignet sind. Mit Hilfe der entwickelten standardisierbaren Komponenten ist es möglich, Manipulatoren mit anwendungsspezifischer Kinematik modular in Leichtbauweise und wirtschaftlich aufzubauen sowie bei Bedarf in vergleichsweise kurzer Zeit zu rekonfigurieren (d. h. die Kinematik umzugestalten). Die auf dem Wege der Konfiguration errichteten modularen Leichtbauroboter besitzen im Vergleich zum Stand der Forschung Neuheitscharakter. Die Arbeit umfaßt im ersten Teil Entwurf und Konzeption des gesamten Baukastens unter verallgemeinernder Betrachtung der an Serviceroboter im Umfeld der mobilen Manipulation gerichteten Anforderungen. Wesentlichen Einfluß auf die Formulierung der Anforderungen hat die im Mittelpunkt des Forschungsprojekts AMaRob stehende Zielstellung eines Rehabilitationsroboters für hochgradig querschnittsgelähmte Anwender. Der AMaRob-Rehabilitationsroboter basiert auf der Verschmelzung eines Rollstuhls und eines wendigen Leichtbau-Gelenkarmroboters mit antropomorpher Kinematik. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Realisierung des Baukastensystems und seiner Komponenten sowie dem Aufbau der Zielarchitektur für den AMaRob-Leichtbauarm. Besondere Aufmerksamkeit erhalten die Auswahl der Werkstoffe und Maschinenelemente, die Auslegung des Antriebsstrangs, die Entwicklung der erforderlichen Elektronik, Software und Regelungen sowie die mechatronische Integration unter Berücksichtigung der wegen des hohen Miniaturisierungsgrades problematischen thermischen Verhältnisse. Funktion und Eignung des Baukastens für die Anwendung in der Servicerobotik werden auf zwei funktionalen Ebenen nachgewiesen. Die erste Ebene wird durch die entwickelten Gelenkmodule mit integrierter Steuer- und Regelelektronik und die für den Zusammenbau erforderlichen Verbindungskomponenten repräsentiert. Eingehende Untersuchungen zur Festigkeit der Konstruktion, zu Robustheit und Tauglichkeit der Regelung dienen dem Funktionsnachweis der Komponentenentwicklungen. Die zweite Ebene der Untersuchungen bezieht sich auf den modularen 7DOF-Leichtbauarm, der als Zielsystem für das Projekt AMaRob definiert ist. Anhand einer mehrstufigen offenen Steuerungsarchitektur wird der Leichtbauarm einer Optimierung der Datenschnittstelle sowie einer Funktions- und Eignungsprüfung mit kartesischer Bahnsteuerung und Kraftregelung unterzogen. Ergänzend wird durch Aufbau mehrerer Kinematiken aus gleichen Komponenten ein Nachweis der projektierten Rekonfigurierbarkeit erbracht. Der Vergleich mit einem den Stand der Forschung repräsentierenden Leichtbauroboter verdeutlicht den Neuheitscharakter und die Abgrenzung zu anderen Entwicklungen.