Prototypische Entwicklung eines Verbindungselements und dessen Analyse für einen modular rekonfigurierbaren mobilen Manipulator

Abstract

Modular rekonfigurierbare mobile Manipulatoren sind Robotersysteme, die aus verschiedenen Modulen aufgebaut sind, welche jeweils notwendige Komponenten des Roboters beinhalten. Mit diesem Aufbau sind sie nicht nur für Forschungs- und Lehrzwecke interessant, sondern aufgrund ihrer flexiblen Eigenschaften auch in der Industrie von großer Bedeutung. Je nach Aufgabenbereich kann das Robotersystem an die Anforderungen angepasst werden, wodurch sowohl ökonomische als auch ökologische Vorteile entstehen. Einen wesentlichen Einfluss auf die Stabilität und die Bedienbarkeit dieser Robotersysteme haben die Schnittstellen, welche die einzelnen Module miteinander koppeln. In der Literatur gibt es bisher keine Systeme, die den Anforderungen für diese Art von Robotersystemen entsprechen. Deshalb wird in dieser Arbeit ein neuartiges Verbindungssystem auf Basis einer Literaturrecherche für modular rekonfigurierbare mobile Manipulatoren entwickelt und ein Prototyp gebaut, welcher dann hinsichtlich der zuvor definierten Anforderungen verifiziert und validiert wird. Für den Produktentwicklungsprozess wird ein methodisches Vorgehen verwendet, dass sich an der VDI-Richtlinie 2221 orientiert. Der Fokus liegt auf der mechanischen Belastungsübertragung, denn eine stabile Verbindung ist die Voraussetzung für eine gute Modularität und eine hohe Präzision der gesamten Roboterstruktur. Neben dem genannten mechanischen Teil besteht das Verbindungssystem außerdem aus einemelektrischen Teil, der für die Informations- und Leistungsübertragung zuständig ist. Der Kopplungsvorgang erfolgt manuell durch einfaches Zusammenstecken der beiden Verbindungshälften. Für den Entkopplungsvorgang wird ein einfaches Werkzeug inForm einer kleinen Platte benötigt. Der geschlechtsspezifische elektrische Teil ist substituierbar im mechanischen Teil gelagert. Das gesamte Verbindungssystem kann in vier, um 90° verdrehte Orientierungen gekoppelt werden. Die Fertigung wurde nur mit spanender Bearbeitung und mit dem FDM-Druckverfahren durchgeführt. Die zugekauften Teile waren alle einfach verfügbar und wurden hauptsächlich online bestellt. Es wurden recyclebare Werkstoffe, wie zum Beispiel Aluminiumlegierungen und PETG verwendet, da auch ein großer Wert auf die Wiederverwendbarkeit gelegt wurde. Die Ergebnisse der Verifizierung und der Validierung zeigen, dass der Prototyp des entwickelten Verbindungssystems den Anforderungen entspricht. Es konnte gezeigt werden, dass wesentliche Funktionen, wie gute Bedienbarkeit, Stabilität und Modularität vom Verbindungssystem erfüllt werden. Dennoch gibt es Verbesserungspotential und insofern bildet das entwickelte Produkt eine entsprechende Basis für zukünftige Arbeiten.

Modular reconfigurable mobile manipulators are robot systems that are built up from different modules, which contain necessary components of the robot in each case. These features make them interesting, not only for research and teaching purposes, but also of great importance in industry due to their flexible characteristics. Depending on the task, the robot system can be adapted to the requirements, which results in both, economic and ecological advantages. A significant influence on the stability and operability of these robot systems are the interfaces, that couple the individual modules. So far, there are no systems in the literature that meet the requirements for this kind of robot systems. Therefore, in this thesis a novel coupling system is developed based on the literature research for modular reconfigurable mobile manipulators and a prototype is built which is then verified and validated with reference to the pre-defined requirements.For the product development process, a methodical approach that is based on VDI Guideline 2221 is used. The focus is on the mechanical load transmission, because a stable connection is the prerequisite for good modularity and high precision of the entire robot structure. In addition to the mechanical part mentioned above, the connection system also consists of an electrical part that is responsible for information and power transmission. The coupling process is performed manually, by simply plugging together the two halves of the connection. A simple tool in the form of a small plate is required for the decoupling process. The gender-specific electrical part is substitutably mounted in the mechanical part. The entire connection system can be coupled in four 90° rotated orientations.Manufacturing was done only with metal cutting machining operations and with the FDM printing process. The purchased parts were all readily available and mainly ordered online. Recyclable materials, such as aluminum alloys and PETG, were used, as great focus was also placed on reusability. The results of the verification and validation show that the prototype of the developed connection system meets the requirements well. It could be shown that essential functions, such as good usability, stability and modularity are fulfilled by the connection system. Nevertheless, there is potential for improvement and in this respect the developed product forms a good basis for future work.