Regelung von Robotern mit elastischen Gelenken am Beispiel der DLR-Leichtbauarme

Abstract

In der Arbeit werden Methoden zur Parameteridentifikation und Regelung von Robotern mit elastischen Gelenken vorgeschlagen, am Beispiel der DLR-Leichtbauroboter experimentell implementiert und im Dauereinsatz validiert. Das Modell des Manipulators mit elastischen Gelenken trifft sowohl für schnell bewegte Industrieroboter, wie auch für extrem leichte Roboter im Service- oder Raumfahrtbereich zu. Ausgehend von einem Gelenk-Zustandsregler mit konstanten Parametern und Kompensation der Starrkörperdynamik werden Regler zunehmender Komplexität vorgeschlagen, über Zustandsregler mit variablen Parametern bis hin zu passivitätsbasierten Reglern mit Energie-Formung. Ein Schwerpunkt der Arbeit ist der theoretische Stabilitätsnachweis der Regler unter Berücksichtigung der vollständigen, nichtlinearen Roboterdynamik. Dabei stellt sich heraus, dass der Zustandsregler mit Gravitationskompensation eine einfache und robuste Reglerstruktur darstellt, die gleichzeitig eine effektive Dämpfung der elastischen Schwingungen gewährleistet und einen theoretischen Stabilitätsbeweis zulässt. Als Zustandsgrößen werden die gemessenen Motorpositionen und abtriebsseitigen Drehmomente, sowie deren Ableitungen benutzt. Die Reglerstruktur kann somit zu einem Positions-, Drehmoment-, oder Impedanzregler parametriert werden. Aufbauend auf diesen Gelenkschnittstellen werden unterschiedliche Ansätze zur Realisierung einer programmierbaren kartesischen Nachgiebigkeit implementiert und verglichen sowie ein neuer Ansatz in Form eines globalen Impedanzreglers mit lokaler Steifigkeitsregelung vorgeschlagen.