Entwicklung eines wasserhydraulisch aktuierten, humanoiden Roboterarmes aus Kunststoffspritzgussteilen

Abstract

Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines humanoiden Roboterarmes für den Roboter Blue . Blue kommt im Haushalt zum Einsatz und muss daher in einem Umfeld agieren, welches für den Menschen entworfen ist. Dadurch ergeben sich einige Anforderungen an den Arm, wie Abmessungen, Bewegungsspielraum der Gelenke und maximale Kräfte der Aktoren. Zu Beginn der Entwicklung wurden diverse vorhandene künstliche Arme analysiert, welche schließlich teilweise als Inspiration für den zu entwickelnden Roboterarm dienten. Das Konzept des Roboterarmes sieht eine tragende Hülle aus spritzgegossenen Kunststoffhalbschalen vor, welche zusammen einen Roboterarm mit sieben Freiheitsgraden ergeben. Der Roboterarm soll durch wasserhydraulische Aktuatoren angetrieben werden. Das Projekt erstreckte sich über mehrere Konstruktionsphasen, wobei für jede Phase Prototypen gefertigt wurden, anhand derer die aktuelle Konstruktion beurteilt wurde. Hierbei wurden sowohl ästhetische Änderungen, als auch konzeptionelle Änderungen vorgenommen. Anhand der dritten Konstruktionsiteration wurde schließlich eine Berechnung der Antriebs- und Lagerkräfte im Arm durchgeführt. Dazu wurden aus den zu erwarteten Haushaltstätigkeiten von Blue Lastfälle und Trajektorien hergeleitet und diese mittels des Recursive-Newton-Euler Algorithmus analysiert. Der Recursive-Newton-Euler Algorithmus wurde außerdem leicht modifiziert um neben den Antriebskräften auch die Lagerkräfte zu berechnen. Mit den gefundenen, auf die Teile wirkenden, Kräfte wurden schließlich Festigkeitsanalysen der Bauteile mittels FE-Simulationen angestellt. Hierbei wurden bei einem ersten Simulationsdurchgang Verbesserungspotentiale bzw. Schwächen der Konstruktion aufgezeigt, welche dann durch konstruktive Änderungen beseitigt wurden. Ein zweiter Simulationsdurchgang bestätigte schließlich die Wirkung der Änderungen und die Erfüllung der Festigkeitsvorgaben.

This thesis covers the development of a humanoid robotic arm for the robot Blue . Blue is designed for household use and therefore must operate in an environment which is designed for humans. This results in certain requirements for the arm, such as dimensions, range of motion of the joints and maximum forces of the actuators. At the beginning of the development various existing artificial arms were analyzed, which served partly as an inspiration for the arm to be developed. The concept of the robotic arm includes a supporting case of injection molded plastic half-shells, which together make up a robot arm with seven degrees of freedom. The robotic arm is to be powered by water hydraulic actuators. The project extended over several construction phases, with prototypes made at each phase. Based on these prototypes the current construction was evaluated. Here, both aesthetic changes, as well as conceptual changes were made. With the third design iteration eventually a calculation of the actuator and bearing forces that perform in the arm was made. For this purpose load cases and trajectories were derived from the expected activities of Blue and analyzed by means of a recursive Newton-Euler algorithm. The recursive Newton-Euler algorithm was also slightly modified to calculate the driving forces as well as the bearing forces. With the forces found acting on the parts a strength analysis of the components, via FE simulations, was made. In a first simulation step opportunities for improvement or weakness- of the design were found, which were then eliminated by design changes. A second simulation step finally confirmed the impact of the changes and fulfillment of the strength requirements.