Untersuchung von Regelungskonzepten für Antriebe mit variabler Steifigkeit

Abstract

Getrieben durch die neuesten Entwicklungen in der Robotik und der langsamen Integration von Robotersystemen in das alltägliche Leben, besteht die Notwendigkeit sichere Systeme für die Interaktion zwischen Mensch und Roboter herzustellen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden unterschiedlichste Antriebsformen und Regelungsverfahren entwickelt und getestet. Einer dieser Antriebsarten, Variable Stiffness Actuator (VSA), wird in dieser Arbeit thematisiert, sowohl aus dem mechanischen Blickwinkel als auch aus regelungstechnischer Sicht. Dafür ist eine gute mathematische Beschreibung des physikalischen Aufbaus inklusive einer Identifizierung der Systemparameter durch unterschiedliche Tests und Messungen notwendig. Anhand der Messergebnisse können die Vor- und Nachteile des verwendeten Systems aufgezeigt werden. Zusätzlich können mit dem gewonnen Wissen die in der Literatur behandelten Regelungskonzepte leichter und intuitiver vorgestellt und diskutiert werden. Dazu werden die einzelnen Regelungsstrategien untereinander verglichen und deren Stärken und Schwächen gezeigt. Die Messergebnisse liefern einen Nachweis für die Komplexität der mechanischen Eigenschaften und welche Probleme bei der Umsetzung solcher Systeme auftreten können. So haben sich die Parameter eines Antriebs während der Dauer der Arbeit stark verändert. Daher ist es für die Regler auch unvermeidlich, mit solchen Systemänderungen umgehen zu müssen, um diese Erkenntnisse in die weitere Entwicklung der Regler miteinzubeziehen.

Driven by the latest developments in robotics and the slow integration of robotic systems into everyday life, there is a need to create safe systems for human-robot interaction. To achieve this goal, a wide variety of drive forms and control methods have been developed and tested. One of these drive types variable stiffness acutators (VSA) are addressed in this thesis, both from the mechanical point of view and from the control point of view.For this, a good mathematical description of the physical structure is necessary including an identification of the system parameters by different tests and measurements. Based on these measurement results, the advantages and disadvantages of the system used can be shown. In addition, with the knowledge gained, the control concepts discussed in the literature can be presented and discussed more easily and intuitively. For this purpose, the individual control strategies are compared with each other and their strengths and weaknesses are shown. The measurement results provide evidence for the complexity of the mechanical properties and which problems can occur during the implementation of such systems. Among other things, the parameters of a motor drive have changed a lot over the period of work. Therefore it is inevitable for the controllers to be able to deal with such system changes and to include this knowledge in the development of the controllers.