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Theoretische und experimentelle Voruntersuchungen von Manipulatoren auf Basis von nachgiebigen Tensegrity-Strukturen

  • Um die Leistungsfähigkeit von nachgiebigen Robotersystemen („Soft Robotics“) zu verbessern, werden immer neue Möglichkeiten zur Realisierung dieser Systeme gesucht. In vielen Anwendungen ist der Einsatz von mechanisch vorgespannten nachgiebigen Strukturen in diesen Systemen von Vorteil. Die Steifigkeit dieser Strukturen kann gezielt und gegebenenfalls reversibel variabel eingestellt werden. Die Formveränderung kann nur durch wenige Aktuatoren erzeugt werden. Nachgiebige Tensegrity-Strukturen, die auf hochelastischen Materialien basieren, entsprechen einer speziellen Klasse von mechanisch vorgespannten Strukturen. Sie werden durch druck- und zugbelastete Segmente gebildet, wobei die druckbelasteten Segmente untereinander nicht direkt verbunden sind. Die resultierende Form dieser Strukturen wird durch ihre Vorspannung bestimmt. Weiche Roboter, die auf diesen Strukturen basieren, bieten mehrere vorteilhafte Eigenschaften, wie z. B. Faltbarkeit/Entfaltbarkeit, geringe Masse, hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und stoßdämpfende Fähigkeiten [1]. Diese Strukturen haben eine ausgeprägte Fähigkeit, sowohl ihre Form als auch ihre Steifigkeit zu verändern. In den letzten Jahren hat das Interesse an der Erforschung von Robotersystemen, die auf diesen Strukturen basieren, zugenommen. Aktuelle Arbeiten konzentrieren sich auf die Entwicklung von mobilen Robotern [2]–[7] und Manipulatoren, die auf diesen Strukturen basieren [8]–[10]. Tensegrity-Manipulatoren werden typischerweise durch Kaskadierung von gleichartigen elementaren Einheiten gebildet, die nach dem Tensegrity-Prinzip untereinander verbunden werden. Die elementaren Einheiten sind entweder selber konventionelle Tensegrity-Strukturen oder einteilige planare bzw. räumliche Strukturen. In klassischen Tensegrity-Manipulatoren werden starre Drucksegmente und nicht elastische Zugsegmente verwendet. Die Formänderung dieser Systeme wird durch Änderung der Längen ausgewählter Zugsegmente realisiert. Dem gegenübergestellt können nachgiebige Tensegrity-Manipulatoren realisiert werden, indem die Zugsegmente der Struktur eine hohe Nachgiebigkeit aufweisen. Um die mechanische Nachgiebigkeit und Formänderungsfähigkeit von diesen nachgiebigen Manipulatoren zusätzlich zu erhöhen, ist auch der Einsatz von Tensegrity-Strukturen auf der Basis nachgiebiger Drucksegmente denkbar. Im vorliegenden Beitrag werden zwei nachgiebige Tensegrity-Manipulatoren vorgestellt und in Hinblick auf ihre mechanischen Eigenschaften und Formänderungsfähigkeit gegenübergestellt. Sie unterscheiden sich in ihrer Topologie, in der Art der Aktuierung und auch in der mechanischen Nachgiebigkeit. Die mechanische Nachgiebigkeit des ersten Systems beruht auf der Elastizität der Zugsegmente, die Drucksegmente sind starr. Die elementaren Einheiten bilden einteilige Strukturen. Das zweite System beruht auf elementaren Einheiten, die selbst räumliche Tensegrity-Strukturen sind. In diesem System sind sowohl die Zug- als auch die Drucksegmente nachgiebig. Die Aktuierung des ersten Systems erfolgt durch Längenänderung der Zugsegmente. Im zweiten System wird die Formänderung des Gesamtsystems durch Änderung der Form der nachgiebigen Drucksegmente realisiert. Die theoretischen Untersuchungen erfolgen unter Anwendung der statischen geometrisch nichtlinearen FE-Methode. Mit diesen Untersuchungen wird die Formveränderungsfähigkeit der beiden Systeme unter Variation ihrer Vorspannung untersucht und gegenübergestellt. Die experimentellen Untersuchungen an zwei Demonstratoren bestätigen die theoretischen Ergebnisse und zeigen die Anwendbarkeit von Systemen auf Basis dieser Strukturen als Manipulatoren auf.
  • In this paper, two compliant tensegrity manipulators are presented and contrasted with respect to their mechanical pro- perties and deformation capability. They differ in their topology, in the way they are actuated and also in their mechanical compliance. The mechanical compliance of the first system is based on the elasticity of the tensioned segments, while the compressed segments are rigid. The second system is based on elementary units, which are themselves spatial tensegrity structures. In this system, both the tension and compressed segments are compliant. Actuation of the first system occurs by changing the length of the tensile segments. In the second system, the change in shape of the overall system is realized by changing the shape of the compliant compressed segments

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Verfasserangaben:David Herrmann, Leon Schaeffer, Lena Zentner, Valter BöhmGND
URN:urn:nbn:de:hbz:465-20230314-164736-8
DOI:https://doi.org/10.17185/duepublico/77397
Titel des übergeordneten Werkes (Deutsch):9. IFToMM D-A-CH Konferenz, 16./17. März 2023, Universität Basel
übersetzter Titel (Englisch):Preliminary theoretical and experimental investigations on manipulators based on compliant tensegrity structures
Verlag:DuEPublico
Verlagsort:Duisburg-Essen
Dokumentart:Konferenzveröffentlichung (Beitrag)
Sprache der Veröffentlichung:Deutsch
Jahr der Veröffentlichung:2023
Datum der Freischaltung:16.11.2023
Fakultäten / Institute / Einrichtungen:Fakultät Maschinenbau
Fakultät Maschinenbau / Labor Finite-Elemente-Methode (FEM)
Begutachtungsstatus:peer-reviewed
Forschungsschwerpunkt:Produktion und Systeme
Lizenz (Deutsch):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International