Entwurf und Regelung bionischer Roboter

Transkript

1 Entwurf und Regelung bionischer Roboter TU Berlin, FG Regelungssysteme Dr.-Ing. Ivo Boblan, www. Tel.: ~29600, Raum EN 234 LV-Nr. 0430L094, IV (VL mit UE), 2.0 SWS - Donnerstags Zeit: 14:00-16:00 - Raum: EN 189 Anrechenbar im Masterstudium - AT2-3 LP - wahlpflicht 1

2 Termine, Prüfung, Aktuelles, Teilnehmerliste 11 Termine: heute Himmelfahrt Elternzeit Einschreibung über Betreff: IV Bionische Roboter: Ich nehme teil Absender: TU-Berlin -Adresse! Deadline beachten Folien etc.: Entwurf_und_Regelung_bionischer_Roboter Prüfung: wissenschaftliche Aussprache, ca. 15 min in KW27 und KW28 Teilnehmerliste: Nr. Name Vorname TU Berlin Studiengang (BA/MA) Matrikelnr. Prüfung 1. Blech Hans ET (MA) ja/nein 2. 2

3 Inhalt Entwurf und Regelung bionischer Roboter Motivation Bionik (Methode, Vorgehensweise, VDI) Biologische (Bewegungs-)Systeme (Eigenschaften, Vorteile, Evolution) Morphologie Mensch/Tier (vs. herkömmliche Roboter-Mechanik, Materialien) Physiologie Mensch/Tier (vs. herkömmliche Antriebe, Verarbeitung, Steuerung) Vorstellung bion. Aspekte in techn. Robotersystemen (Hausarbeit und Vortrag) Materialien, Strukturen für neue Kinematiken (Leichtbau, Herstellung/SLS) Aktoren für neue Antriebssysteme (Nachgiebigkeit, gewichtsbezogene Leistung) Modellbildung eines fluidischen Muskels (Versorgung, Leitung, Ventil, Muskel) Modellbildung eines antagonistischen Muskelpaares (Ellenbogen-)Gelenks Regelung eines antagonistischen Muskelpaares Roboter-Assistenzsystem Humanoider Muskelroboter ZAR5 (Anwendung) Roboter-Rüsselkinematik BROMMI:TAK (Anwendung) 3

4 Technik, Stand heute, Lola TUM 2010 Biologie, Free Running Team, UK Allgemein Technik (Roboter) Biologie (Mensch) Entwicklungszeit Bestimmt durch 1920, Schriftst. Karel Čapek führt den Begriff Roboter ein Stand der Technik: Kosten, Materialien, Know-How > Jahre (fossil belegt) Evolution, Mutation, Selektion, Auslese (Umgebung, Wetter etc.) Entwicklungsort Labor, künstliche Umgebung Natur, sich verändernde Umgebung 4

5 Technik, Stand heute, Lola TUM 2010: 1. Roboter: Ein Roboter ist eine technische Apparatur, die dazu dient, dem Menschen die Arbeit abzunehmen. Roboter können sowohl stationäre als auch mobile Maschinen sein und werden von Computerprogrammen gesteuert. Die Bedeutung hat sich allerdings im Laufe der Zeit gewandelt. (wiki) 2. Anthropomorph(ismus): (griech. anthropos Mensch, morphē Form, Gestalt ) -> Vermenschlichung (un-)belebter Objekte Biologie, Free Running Team, UK: 2. Humanoid: (lat. homo Mensch und altgr. eidos Gestalt ) -> menschliches Erscheinungsbild 5

6 Technik, Stand heute, Lola TUM 2010: 1. Roboter: Ein Roboter ist eine technische Apparatur, die dazu dient, dem Menschen die Arbeit abzunehmen. Roboter können sowohl stationäre als auch mobile Maschinen sein und werden von Computerprogrammen gesteuert. Die Bedeutung hat sich allerdings im Laufe der Zeit gewandelt. (wiki) 2. Anthropomorph(ismus): (griech. anthropos Mensch, morphē, Form, Gestalt ) -> Vermenschlichung (un-)belebter Objekte 3. Anthropomorpher Roboter: -> hat menschliche Form (außen und innen) -> beschreibt eher das Innere Biologie, Free Running Team, UK: 2. Humanoid: (lat. homo Mensch und altgr. eidos Gestalt ) -> menschliches Erscheinungsbild 3. Humanoider Roboter: -> menschlich aussehender Roboter -> beschreibt eher das Äußere Anthropomorphe Roboter vs. Humanoide Roboter - Konstruktion (innen) ist menschlicher Form/Gestalt nachempfunden (2 Beine etc.) - Erscheinung (außen) ist menschlich - Wo bleibt das Verhalten? 6

7 Technik, Stand heute, Lola TUM 2010: Biologie, Free Running Team, UK: Merkmale Technik (Roboter) Biologie (Mensch) Material vorwiegend metallische Werkstoffe (wenig Kunststoff) -> steif, dicht [kg/m 3 ] KnochenundGewebe,biologische Materialien (Leichtbau) -> weich [N/mm], elastisch Struktur Kasten-, T-Profil, CNC-Teile optimiert nach Kraftfluss Konstruktion steif, geregelte Nachgiebigkeit weich, inhärente und geregelte N. Kinematik Bewegung starrer Körper Bewegung weicher Körper Antriebe elektrisch auf der Achse chemisch proximal zum Gelenk Leistungsgewicht 200W/kg(450W/kgDBA-Kl.) 225W/kg(max.1.8kW/kgGecko) Übersetzung Getriebe auf der Achse Hebelarme am Gelenk Energie- Rückgewinnung nein ja, bis zu 95% in den Sehnen 7

8 Technik, Stand heute, Lola TUM 2010: Biologie, Free Running Team, UK: Merkmale Technik (Roboter) Biologie (Mensch) Leichtbau nein (steif durch Material) ja (optimiert nach Kraftfluss) m./el. Parameter hoch (Drehmomente) niedrig (Aktionspotenzial) System linearisiert, zentr. verarbeitet n.l., verteilt/überlagert verarbeitet Kontrolle komplett, jederzeit teilweise, situationsabhängig passive Eigensch. nein (linear, stabil) ja (n.l., asymptotisch stabil) Zeitverhalten schnell, <1ms langsam, >100ms Präzision hoch, <1/10mm gering, >1mm Kosten hoch - Energieverbrauch hoch gering Fazit steife Systeme mit schnellen und präzisen Bewegungen weiche Systeme mit redundanten Sensoren u. robusten Bewegungen 8

9 Technik, Stand heute, Lola TUM 2010: Biologie, Free Running Team, UK: Technik (Roboter) Biologie (Mensch) Eigenschaften steif, schnell, (wiederhol-)genau weich, federnd, redundant, robust Interaktion Technik-Technik-Interaktion: gut Mensch-Mensch-Interaktion: gut Schnittmenge Adaption auf Interaktionspartner schlecht (Sensoren: Haptik) gering gut (aber Problem: Sicherheit) Mensch-Technik-Interaktion (MTI) geht immer in beide Richtungen -> menschzentrierte Technik muss anderen/neuen Eigenschaften folgen Paradigmenwechsel: - Roboter gestern: steif konstruieren und weich (so weich wie möglich) regeln - Roboter morgen: weich konstruieren und steif (so steif wie nötig) regeln 9

10 Humanoider Muskelroboter Zwei-Arm-Roboter, ZAR5 (Version 5) Motivation oder Utopie? 10

11 Bionische Rüsselkinematik BROMMI:TAK 11