Dipl.-Ing. Eko Bono Suprijadi :

Kinematische Echtzeit-Regelung und auf vereinfachter Dynamik basierte Kraftregelung einer vierbeinigen Gehmaschine

Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau, 2005-05-19

BetreuerIn: Prof. em. Dr.-Ing. Martin Frik , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau

GutachterIn: Prof. em. Dr.-Ing. Martin Frik , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abt. Maschinenbau
GutachterIn: Prof. Dr. rer.-nat. Manfred Braun , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abt. Maschinenbau, Institut für Mechatronik und Systemdynamik

Schlüsselwörter in Deutsch: Gehmaschine, Kinematik, Kraftregelung, Echtzeit-Regelung
Schlüsselwörter in Englisch: force control, walking machine, real time linux, quadruped robot, compliance

  
   
 Klassifikation     
    Sachgruppe der DNB: 620 Ingenieurwissenschaften
  
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

Die Realisierung einer lauffähigen Gehmaschine umfaßt vielfältige Aufgaben wie die mechanische Konstruktion, das Software- und Hardwaredesign sowie die Entwicklung geeigneter Steuerungsstrategien. In der vorliegenden Arbeit wird dies einschließlich der experimentellen Erprobung für eine vierbeinige Gehmaschine durchgeführt. Das Gehmaschinenmodell besteht aus einem Zentralkörper und vier identischen, insektenartigen Beinen. Jedes Bein besitzt drei unabhängige Drehgelenke. Wegen der Anforderung an die Echtzeit-Steuerung und Regelung wird ein gewöhnliches Mehrkörpersystem zur Modellbildung ausgewählt. Die entsprechenden Bewegungsgleichungen werden mit Hilfe der Methode der kinematischen Differentiale erstellt. Zur Realisierung der Gelenkantriebe werden elektrischer Gleichstrommotor, Inkremental-Encoder und Übersetzungsgetriebe verwendet. Dementsprechend wird das Gesamtantriebssystem modelliert, um das geforderte Drehmoment für die Ausführung der Bewegungsgrößen zu bestimmen. Die Beschreibung der Gehbewegung erfolgt durch die Vorgabe der Trajektorie des Gesamtschwerpunkts der Gehmaschine und des Fußpunkts des Schwingbeins. Ein statisch stabiles Laufen wird durch die sogenannten Koordinationsmechanismen zwischen dem Gesamtschwerpunkt und den Beinen garantiert. Diese Bewegungsstrategie stellt allerdings noch eine reine Systemsteuerung dar, wobei die gewünschte Gehbewegung vorallem bei hohen Geschwindigkeiten nicht immer erreicht werden kann. Daher wird die sogenannte kinematische Positionsregelung eingesetzt, die nur die Kinematik der Regelstrecke berücksichtigt. Als Konsequenz sind die Anforderungen an die unterlagerten Antriebsregler besonders hoch. Diese hohe Anforderung läßt sich durch die Verwendung des Motorkontrollers LM629 erfüllen. Um die Wechselwirkung zwischen den Beinen und der Umgebung zu behandeln, wird die Steifigkeitsregelung eingesetzt. Diese auf vereinfachter Dynamik basierte Kraftregelung kann u.a. zur Erkennung der Beinkollision verwendet werden. Zur Implementierung der vorgestellten Bewegungsstrategie und der Positionsregelung sowie der Steifigkeitsregelung wird ein Rechnersystem mit zwei PC/104 CPUs eingesetzt. Auf den beiden Prozessoren wird das Betriebssystem Real-Time Linux eingesetzt. Die Brauchbarkeit der entwickelten Strategie wird durch experimentelle Untersuchungen überprüft. Die Koordinationsmechanismen werden bei der Umsetzung auf die reale Gehmaschine um die notwendige Stabilitätsreserve erweitert. Durch die Überlagerung der Schwerpunktbewegung mit einer sinusförmigen Schwingung läßt sich die Regelmäßigkeit der Schwerpunktbewegung verbessern und gleichzeitig die Stabilität der Maschine erhöhen.

Abstrakt in Englisch

The realization of walking machine covers various tasks like the mechanical construction, the software and hardware design as well as the development of suitable control strategies. In the available work this is accomplished including experimental testing for a four-legged walking machine. The walking machine model consists of a central body and four identical, insect-like legs. To fulfill the requirement of the real time control, a rigid multibody system is selected for modelling. The appropriate motion equations are provided with the help of the method of the kinematic differentials. For the realization of the joint drives electrical direct current motor, incremental encoder and step-up gears are used. Accordingly the drive system is modelled in order to intend the demanded torque for the execution of the motion. The description of the movement takes place via the trajectory of the center of gravity and of the swing leg. Statically stable running is guaranteed by the so-called coordination mechanisms between the center of gravity and the legs. This movement strategy represents however still open loop control, whereby the desired movement cannot be achieved at high speeds. Therefore the so-called kinematic position control is used, which considers only the kinematic of the controlled system. As consequence the requirements to the under-stored drive controllers are particularly high . This high requirement can be fulfilled by the use of the microcontroller LM629. In order to treat the reciprocal effect between the legs and the environment, the force control is used. This on simplified dynamics based force control can be used for the recognition of the leg collision. For the implementation of the presented movement strategy and the position control as well as the force control a computer system with two PC/104 CPUs is used. On the two processors the operating system real-time Linux is used. The useability of the developed strategy is examined by experimental investigations. The co-ordination mechanisms are extended by the necessary stability reserve. By the overlay of the center of gravity movement with a sinusoidal oscillation the stability of the machine can be increased.