Systemintegration und Gesamtentwurf eines modular aufgebauten mobilen Roboters

Abstract

In der Industrie werden Roboter eingesetzt, um den Menschen wiederholende Arbeiten abzunehmen oder in Kooperation die Arbeit zu erleichtern. Diese Roboter werden somit in Abhängigkeit von den Aufgaben und der Umgebung ausgewählt und sind in Bezug auf Änderungen dieser Randbedingungen relativ unflexibel. Die modulare Robotik hingegen hat ihre Stärken vor allem in dem großen Anwendungsfeld, welches sich aufgrund der Anpassbarkeit an unterschiedliche Umgebungen und Aufgaben ergibt. Um diesen Vorteil optimal nutzen zu können, müssen der Aufbau und die Modularisierung gut durchdacht sein.In dieser Arbeit wird ein Gesamtentwurf eines modular aufgebauten mobilen Manipulators unter Berücksichtigung von Subsystemen behandelt. Diese Arbeit erfolgt im Rahmen des Projektes TURBO der TU Wien, welches Raum für weitere Arbeiten im Bereich der Entwicklung und Programmierung eines solchen Roboters geschaffen hat. Der Produktentwicklungsprozess orientiert sich an der VDI-Richtlinie 2221 und somit steht das methodische Vorgehen im Mittelpunkt. Bei modularen Aufbauten sind vor allem die Form, die Größe und der Funktionsumfang der einzelnen Module entscheidend für die möglichen Konfigurationen und müssen daher gezielt gewählt werden. Die Wahl dieser Charakteristika beeinflusst die Anzahl der benötigten Schnittstellen, welche sich unter anderem stark auf die Kosten und die Steifigkeit des Gesamtsystems auswirken. An diesen Schnittstellen werden je nach Modul verschiedene Anforderungen gestellt. Bei manchen Schnittstellen ist es notwendig einen Energie-, Informations- und Kraftfluss zu übertragen. Um aber die Konfigurationsmöglichkeiten durch verschiedene Schnittstellen nicht einzuschränken und um eine einfache Zusammenbaubarkeit zu gewährleisten, wird eine einheitliche Schnittstelle angestrebt. Diese Standardisierung kann dazu führen, dass die Schnittstelle für manche Module, hinsichtlich mechanischer und elektrischer Eigenschaften, überdimensioniert ist. Im Gegensatz dazu stehen das einfache Austauschen defekter Komponenten und die daraus resultierenden kurzen Reparaturzeiten.Um den modularen Aufbau zu testen, wird ein Prototyp mit mehreren Modulen gebaut. Damit können außerdem Versuche zur Bewertung des Fahrverhaltens durchgeführt werden und es wird Möglichkeit geboten, Ergebnisse von noch folgenden Arbeiten zu validieren.

In industry, robots are used to relieve people of repetitive work or to facilitate work in cooperation. These robots are thus selected depending on the tasks and the environment and are relatively inflexible regarding to changes of these boundary conditions. Modular robotics has its strengths primarily in the wide field of application, which results from its adaptability to different environments and tasks. To exploit this advantage fully, the structure and modularization must be thought through well.In this thesis, an overall design of a modular mobile manipulator is created, taking subsystems into account. This work is done in the context of the project TURBO of the TU Vienna, which has created space for further work in the field of development and programming of such a robot.The product development process is based on the VDI guideline 2221 and therefore the focus is on a methodical approach. In the case of modular structures, the shape, size, and range of functions of the individual modules are decisive for the possible configurations and must therefore be determined. The choice of these characteristics influences the number of interfaces required, which among other things have a strong effect on the costs and the rigidity of the overall system. Depending on the module, different requirements are placed on these interfaces. With many interfaces it is necessary to transmit a flow of energy, information, and power. To not restrict the configuration options and to ensure simple assembly, a standardization of the interfaces is desired. This results in oversized interfaces, regarding mechanical and electrical properties, of modules with lower demands. The large number of interfaces leads to more components and increased susceptibility to errors. An advantage of these modular structures is the simple replacement of defective components if they should fail and the resulting short time for repairing.Finally, a prototype of a configuration with low complexity is made to test the modular structure and the driving behavior of the system. This prototype can easily be expanded, and students working in this project can use it to test their findings of their theses.