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August 2013
Eugen Meister
Adaptive Locomotion of Modular Reconfigurable Robotic Systems
Der Bereich der modularen und rekonfigurierbaren Robotik ist in den letzten Jahrzehnten stark angewachsen. Verbunden in verschiedenen Konfigurationen ist es den Robotern so möglich, sich umzukonfigurieren und Aufgaben zu erfüllen, die für ein einzelnes und hochspezialisiertes klassisches Robotersystem vielleicht unmöglich wären. Rekonfigurierbarkeit bringt wesentliche Vorteile mit sich und erlaubt eine schnelle Anpassung an verschiedenen Situationen, wie zum Beispiel sich verändernde Umgebungen. Diese Roboter finden Einsatz in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen, vor allem in gefährlichen und unvorhersehbaren Umgebungen, die ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit auf sich verändernde Bedingungen und Autonomie, speziell in den Fortbewegungsmechanismen, benötigen.
Die erfolgreiche makroskopische Fortbewegung von modularen und selbstrekonfigurierbaren Robotern bietet eine Reihe von wissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Fragen, welche geklärt werden müssen. Die wissenschaftlichen Herausforderungen bei der Fortbewegung reichen vom Problem der Formerkennung von verschiedensten Konfigurationen, über das Generieren von vernünftigen Laufmustern bis hin zum Problem der Regelbarkeit von dynamischen Einflüssen. Die Entwicklung der modularen Plattform stellt dagegen die ingenieurtechnischen Herausforderungen in diesem Gebiet dar. All diese Schwierigkeiten müssen untersucht werden, wobei die gefundenen Lösungen ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit bereitstellen sollten.
Diese Arbeit beinhaltet zwei wichtige wissenschaftliche Beiträge, die sich mit der adaptiven Fortbewegungssteuerung von Roboterorganismen befassen. Der erste Beitrag ist ein Verfahren zur adaptiven Fortbewegungssteuerung basierend auf selbstorganisierenden und rhythmischen Generatoren. Das Ziel bestand darin, Methoden zur autonomen Anpassung für verschiedene Roboterstrukturen zu finden.
Multi-Roboter Organismen sind komplexe Systeme, die nichtlinearen dynamischen Einflüssen unterworfen sind. Der Umgang mit diesen Einflüssen stellt die zweite wissenschaftliche Herausforderung dar, die in dieser Arbeit behandelt wird. Die verwendete Lösung für dieses Problem basiert auf einem geometrischen Verfahren einen Modelgenerator zu entwickelt, das die Bewegungsgleichungen autonom für beliebige Konfigurationen erzeugen kann.
Externe Kräfte, die auf den Roboter-Organismus einwirken, können große Auswirkungen auf seine Dynamik besitzen. Ein Kraftsensor kann daher die Genauigkeit einer Regelung dieser Dynamik stark verbessern. Aus diesem Grund wurde als zusätzliche Beitrag zu dieser Arbeit eine künstliche Haut entwickelt, die es ermöglicht externe Kräfte, die auf den Roboter einwirken, zu messen. Dieser modular aufgebaute Sensor erlaubt es große Flächen eines Roboters zu bedecken und mit taktilen Eigenschaften zu versehen.
Diese Arbeit wurde im Rahmen der EU-geförderten Projekte SYMRION und REPLICATOR durchgeführt. Daher wurden alle hier vorgestellten Methoden in erster Linie für die Anwendung auf den in diesen Projekten entwickelten Robotern „Backbone“ und „Scout“ entworfen.
Die erfolgreiche makroskopische Fortbewegung von modularen und selbstrekonfigurierbaren Robotern bietet eine Reihe von wissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Fragen, welche geklärt werden müssen. Die wissenschaftlichen Herausforderungen bei der Fortbewegung reichen vom Problem der Formerkennung von verschiedensten Konfigurationen, über das Generieren von vernünftigen Laufmustern bis hin zum Problem der Regelbarkeit von dynamischen Einflüssen. Die Entwicklung der modularen Plattform stellt dagegen die ingenieurtechnischen Herausforderungen in diesem Gebiet dar. All diese Schwierigkeiten müssen untersucht werden, wobei die gefundenen Lösungen ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit bereitstellen sollten.
Diese Arbeit beinhaltet zwei wichtige wissenschaftliche Beiträge, die sich mit der adaptiven Fortbewegungssteuerung von Roboterorganismen befassen. Der erste Beitrag ist ein Verfahren zur adaptiven Fortbewegungssteuerung basierend auf selbstorganisierenden und rhythmischen Generatoren. Das Ziel bestand darin, Methoden zur autonomen Anpassung für verschiedene Roboterstrukturen zu finden.
Multi-Roboter Organismen sind komplexe Systeme, die nichtlinearen dynamischen Einflüssen unterworfen sind. Der Umgang mit diesen Einflüssen stellt die zweite wissenschaftliche Herausforderung dar, die in dieser Arbeit behandelt wird. Die verwendete Lösung für dieses Problem basiert auf einem geometrischen Verfahren einen Modelgenerator zu entwickelt, das die Bewegungsgleichungen autonom für beliebige Konfigurationen erzeugen kann.
Externe Kräfte, die auf den Roboter-Organismus einwirken, können große Auswirkungen auf seine Dynamik besitzen. Ein Kraftsensor kann daher die Genauigkeit einer Regelung dieser Dynamik stark verbessern. Aus diesem Grund wurde als zusätzliche Beitrag zu dieser Arbeit eine künstliche Haut entwickelt, die es ermöglicht externe Kräfte, die auf den Roboter einwirken, zu messen. Dieser modular aufgebaute Sensor erlaubt es große Flächen eines Roboters zu bedecken und mit taktilen Eigenschaften zu versehen.
Diese Arbeit wurde im Rahmen der EU-geförderten Projekte SYMRION und REPLICATOR durchgeführt. Daher wurden alle hier vorgestellten Methoden in erster Linie für die Anwendung auf den in diesen Projekten entwickelten Robotern „Backbone“ und „Scout“ entworfen.
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