Authors: Malzahn, Jörn
Title: Modeling and control of multi-elastic-link robots under gravity
Other Titles: from oscillation damping and position control to physical interaction
Language (ISO): en
Abstract: Die Elastizität in den Armkörpern von Robotern und vergleichbaren Maschinen wird häufig als unerwünschter Effekt gesehen. Die Motivation der vorliegenden Arbeit entstammt einer dazu gegensätzlichen Sichtweise. Die Idee besteht darin, dem Roboter über die Ausnutzung der intrinsischen Nachgiebigkeit die Fähigkeit zur Wahrnehmung von Kontaktkräften zu verleihen und zugleich die Eigenmasse der gesamten Armstruktur zu reduzieren. Die zugrundeliegende Hypothese formuliert damit, dass die elastischen Eigenschaften der Armkörper nicht zwingend als Problem im Sinne einer Verschlechterung der Positioniergenauigkeit sowie einer Verlängerung von Ausregelzeiten gesehen werden müssen. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Schwingungsdämpfung und Endeffektor-Positionierung in Gegenwart von last- und konfigurationsabhängigen statischen Verbiegungen für einen mehrgliedrigen gliedelastischen Roboterarm. Die erarbeiteten theoretischen Konzepte werden durch ausgiebige experimentelle Ergebnisse untermauert. Daran anknüpfend demonstriert die Arbeit die praktische Realisierbarkeit der Detektion von Kontaktkräften mit dem mehrgliedrigen gliedelastischen Roboterarm unter Gravitationseinfluss. Die behandelten Szenarien umfassen unvorhergesehene beziehungsweise unbeabsichtigte Kollisionen, wie auch beabsichtigte Kontakte im Sinne einer physischen Mensch-Roboter-Interaktion.
Link elasticity is frequently considered an undesired effect in the mechanical design of robot arms and comparable machines. The driving motivator behind this work originates from the contrary perspective of exploiting the intrinsic compliance to grant elastic link robots force sensing capabilities and to simultaneously reduce the overall arm masses. The underlying hypothesis proposes that link elasticity is not necessarily just a problem, which degrades positioning accuracy and prolongs settling times. The present work contributes new theoretical concepts confirmed by extensive experimental results in the fields of oscillation damping and end effector positioning for a multi-elastic-link arm in the presence of load and joint configuration dependent static deflections. On top of that, the work practically demonstrates the general feasibility of detecting and reacting to external contact forces with a multi elastic link robot operating under gravity. The contact scenarios include unpredicted or accidental collisions between the robot and the environment as well as intentional contacts for physical human robot interaction.
Subject Headings: Flexible link arms
Oscillation damping
Wave based control
Fractional order control
Inverse kinematics
Visual servoing
Collision detection
Elastic multi-body dynamics
Physical human robot interaction
URI: http://hdl.handle.net/2003/33694
http://dx.doi.org/10.17877/DE290R-6590
Issue Date: 2014
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