Definition und exemplarische Realisation eines modularen Systems für die Kletterrobotik. Von Jörg Mämpel

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1 Definition und exemplarische Realisation eines modularen Systems für die Kletterrobotik Von Jörg Mämpel Universitätsverlag Ilmenau 2010

2 Impressum Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Angaben sind im Internet über abrufbar. Diese Arbeit hat der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Ilmenau als Dissertation vorgelegen. Tag der Einreichung: 20. April Gutachter: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. med. (habil.) Hartmut Witte (Technische Universität Ilmenau) 2. Gutachter: Jun.-Prof. Dr.-Ing. Tom Ströhla (Technische Universität Ilmenau) 3. Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Karsten Berns (Technische Universität Kaiserslautern) Tag der Verteidigung: 27. September 2010 Technische Universität Ilmenau/Universitätsbibliothek Universitätsverlag Ilmenau Postfach Ilmenau Herstellung und Auslieferung Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat OHG Am Hawerkamp Münster ISSN (Druckausgabe) ISBN (Druckausgabe) URN urn:nbn:de:gbv:ilm Titelfoto: Dipl.-Biol. Helga Schulze Bochum

3 Inhaltsverzeichnis Kurzzusammenfassung...7 Abstract...8 Inhaltsverzeichnis...9 Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Formelzeichen Abkürzungsverzeichnis Einleitung Motivation Klettern in der Natur Zielstellung Definitionen Klettern Robotik Definition Greifen, Greifer und Wirkpaarung Definition Kletterroboter Modulare Robotik Kletterrobotik Ökologische Betrachtungen der Kletterroboter Ökologie und ihre Einteilung Wechselwirkungen zwischen Robotern und ihrer Umwelt Vergleich von Handhabungs- und Kletterrobotern Zeitlicher Verlauf des Substratkontakts Greifersystematik anhand der Wirkpaarung Vorbetrachtungen Klassifikation der Wirkpaarung Fortbewegungssystematik nach Yim Aktuelle Kletterrobotiksysteme Eingrenzung des Recherchefeldes Kletterroboter mit elektrostatischer Wirkpaarung Kletterroboter mit magnetischer Wirkpaarung Kletterroboter mit strömungsbasierten Greifern Kletterroboter mit fluidisch-statischen Unterdruckgreifern

4 2.4.6 Kletterroboter mit Wirkpaarung durch eindringende Festkörper Roboter mit mechanisch anpressenden Greifern Einschätzung des Stands der Technik in der Kletterrobotik Einfluss der Wirkpaarung auf die Masse der Kletterroboter Einfluss der Lokomotionsform auf die Masse des Roboters Beziehung zwischen Substrateigenschaften und Greifer Modulare mobile Robotik Grundlegende Eigenschaften Klassifikation Kettenbildende modulare Robotersysteme Entwurf eines Referenzsystems Bewertung des aktuellen Stands in der modularen Robotik Modularisierung in der Mechatronik Grundlagen der ModularisierungModulrahmen Modularisierung technischer Systeme Kriterien für Modularisierung Diversität modularer Systeme Homogenität vs. Heterogenität Aufbau eines modularen heterogenen Systems Abgeleitete Prinzipien des modularen Entwurfs Kriterien Modularer Entwurf im der Rahmen der Richtlinie VDI Entwurf des modularen Systems Anforderungsdefinition für einen modularen Kletterroboter Ziele der Entwicklung des modularen Systems Funktionelle Anforderungen resultierend aus dem Stand der Technik Gesamtsystementwurf Funktionsstruktur Vereinfachen der Funktionsstruktur Varianten eines modularen Systems Bewertung der Modularisierungsvarianten Zusammenfassen der Ergebnisse der Modularisierung Entwicklung der Schnittstelle Anforderungen für die Entwicklung der Schnittstelle Schnittstelle als Koppelsystem Interne Struktur der Module Mechanische Struktur Modulinterne Struktur der Mechanik

5 6.2.2 Ausführung der mechanischen Schnittstelle Dimensionierung der mechanischen Schnittstelle Elektrisches System Modulinterne Struktur der leistungselektronischen Komponenten Ausführung der elektrischen Schnittstelle Dimensionierung der Schnittstelle Modulinterne Struktur der elektronischen Teildomäne Ausführung der elektronischen Struktur Informationsverarbeitung Modulinterner Datenfluss Kommunikationsschnittstelle Ableiten der Anforderungen für die Schnittstelle Zusammenfassung der Schnittstellenanforderungen Einheitliche Modulkomponenten Mechanische Modulkomponenten Modulrahmen Elektronische Modulkomponenten Modulinterne Elektronik Kommunikationselektronik Modulentwicklungen Einheitliche Anforderungen Bewegungsmodule Rotationsmodul Doppelrotationsmodul Mechanische Abtriebsadapter Greifmodule Fingergreifer Unterdruckgreifer Magnetgreifmodul Energiespeichermodul Ergebnisse und Diskussion der Modulentwicklung Überblick der Module Diskussion: einheitliche Modulkomponenten Diskussion: Bewegungsmodule Diskussion: Greifmodule Validierung der Module anhand des Referenzsystems Vergleich des modularen mit einem integrierten Konzept Der Kletterroboter RATNIC Mechanik

6 9.1.2 Elektronik und Steuerung Bewegungsablauf RATNIC Konfiguration zum Klettern an zylinderförmigen Substraten Aufbau des Systems Bewegungsablauf der Vergleichskonfiguration Quantitativer Vergleich Methode Ergebnisse des Vergleichs Diskussion der Vergleichsergebnisse Diskussion und Ausblick Anwendung der Funktionsmodule Fortbewegung Wirkpaarung Energieversorgung Modulare Struktur Struktur des modularen Systems Anwendung des modularen Systems Zusammenfassung Literaturverzeichnis Thesen A Anhang A.1 Modularisierungsvarianten A.1.1 Variante Ref - Referenzvariante A.1.2 Variante E int I int - Energie integriert, IV intergriert A.1.3 Variante E zent I zent, Energie zentral, IV zentral A.1.4 Variante E zent I int - Energie zentral, IV integriert A.1.5 Variante E int I zent - Energie zentral, IV integriert A.2 Übersicht Kletterroboter A.3 Nachrechnungen A.3.1 Klemmverbindung zwischen Modul und Koppelelement A.4 Evaluation des System anhand des Spezialsystems RATNIC A.4.1 Steuerungssoftware A.4.2 Berechnung der Sollgrößen unter LabView A.4.3 Messmethode A.4.4 Messaufbau A.4.5 Abschätzung der Messunsicherheit

7 A.4.6 Messung der Zusatzmasse an RATNIC A.4.7 Messung der Zusatzmasse an der Vergleichskonfiguration A.4.8 Messprotokoll Vergleichskonfiguration A.4.9 Messprotokoll RATNIC