Compliant Worm-like Robotic Mechanism with decentrally controlled Fluidic Actuators

174 Pages·2015·18.39 MB·English

by  Martin Eder

TECHNISCHE UNIVERSITA¨T MU¨NCHEN
FAKULTA¨T FU¨R INFORMATIK
Lehrstuhl fu¨r Echtzeitsysteme und Robotik
Compliant Modular Worm-like Robotic
Mechanisms with Decentrally Controlled
Fluid Actuators
Martin Eder
Vollsta¨ndigerAbdruckdervonderFakulta¨tfu¨rInformatikderTechnischenUniversita¨tMu¨nchen
zurErlangungdesakademischenGradeseines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigtenDissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof.BerndBru¨gge,Ph.D.
Pru¨ferderDissertation: 1.Univ.-Prof.Dr.-Ing.habil.AloisKnoll
2.Univ.-Prof.Dr.-Ing.habil.BorisLohmann
Die Dissertation wurde am 22.09.2014 bei der Technischen Universita¨t Mu¨nchen eingereicht
unddurchdieFakulta¨tfu¨rInformatikam12.03.2015angenommen.

Abstract
Whereasinthepast, roboticswasmainlyanissuewithinindustrialenvironments, todayrobots
advance more and more into everyday scenarios which deal with human interaction. Thus
the question about safe human-robot cooperation and solutions for how to solve this issue
arise. Two different strategies to come up with human-friendly behavior are currently being
pursued.
First, a control system can be implemented which tries to guarantee anthropomorphic system
properties. These active stiffness systems are based on adequate control algorithms assuring
thatthemovementsofalljointsoftherobotcannothazardanybodyinitsworkspace. Therefore,
usually additional sensors, such as second rotary encoders, force and torque sensors or even
tactile sensors, are utilized. The idea behind this kind of setup is that the power supply of the
robotispartiallylimitedsuchthatthehumanisnotinjuredincaseofcontact.
Second,acompliantrobotcanbebuiltifcomponentsareusedthathaveaseverelylimitedstiff-
ness,i.e.amechanicalsupportstructurecombinedwithdriveelementsthatarealreadyflexible
due to their material. In this context, pneumatic artificial muscles (PAMs) are a comparably
cost-efficientwaytomeetthedemandsintermsofsafety,asalreadymentionedbefore. Dueto
theirelasticproperties,aninherentlysoftroboticarmcanbesetupwhichisautomaticallysafe
intermsofhuman-robotinteractionregulations. However,thechallengingpartofthecontrolof
theseflexibleactuatorsistheirnonlinearcharacteristics.
Ensuing from that position, this thesis introduces novel robotic mechanisms that are inherently
compliant, but have numerous advantages compared to state-of-the-art constructions. The
crucial contribution of this work is the development of machinery that are based on a cen-
trallyfedactuatorarrangement,whichmakesthemcomparativelyeasytocontrolwithprecision.
Moreover, the developed prototypes have clearly defined mechanical, electrical and software
interfaces that lead to enhanced modularity. As a matter of principle, the developed compliant
mechanismscanbeusedforsafeapplicationsofhuman-robotinteraction.
III

Zusammenfassung
Wa¨hrendinderVergangenheitRobotikhauptsa¨chlichinindustriellenUmgebungenvorzufinden
war,werdenRoboterheutzutagezunehmendinallta¨glichenEinsatzszenarienmitmenschlicher
Interaktioneingesetzt. DemzufolgeerhebtsichdieFragenacheinemsicherenZusammenspiel
vonMenschundRoboterundnachderLo¨sungdiesesProblems. ZweiverschiedeneStrategien
werdenderzeitverfolgt,ummenschenfreundlichesVerhaltenabzubilden.
Einerseits kann eine Ansteuerung aufgesetzt werden, welche menschenfreundliche System-
eigenschaften garantiert. Solche Systeme mit aktiver Steifigkeit basieren auf entsprechen-
den Kontrollalgorithmen, die dafu¨r Sorge tragen, dass die Bewegungen sa¨mtlicher Gelenke
des Roboters niemanden innerhalb seines Arbeitsraumes gefa¨hrden ko¨nnen. Dabei werden
u¨blicherweisezusa¨tzlicheSensorenwieetwaDrehgeber,Kraft-Momenten-Sensorenodersogar
taktileSensoreneingesetzt. DieIdeehinterdieserArtAufbauist,dassdieLeistungdesRobot-
ersteilweiselimitiertwird,sodassderMenschimFalleeinesKontaktsbzw. einerKollisionnicht
verletztwird.
AndererseitskanneinnachgiebigerRoboteraufgebautwerden,indemKomponenteneingesetzt
werden, welche eine stark begrenzte Steifigkeit aufweisen, d.h. eine mechanische Stu¨tzstruk-
turgepaartmitAntriebselementen,diematerialbedingtflexibelsind. IndiesemZusammenhang
stellenku¨nstlichepneumatischeMuskelneinekosteneffizienteLo¨sungdar,umdiezuvorbereits
erwa¨hntenAnforderungenhinsichtlichSicherheitzuerfu¨llen. AufgrundihrerelastischenEigen-
schaftenkanneininha¨rentnachgiebigerRoboterarmkonzipiertwerden,welcherRichtlinienzur
SicherheitbeiderMensch-Roboter-Interaktioneinha¨lt. DieHerausforderungbeiderSteuerung
dieserflexiblenAktorenistjedochderennichtlineareCharakteristik.
Von diesem Standpunkt ausgehend stellt diese Arbeit neuartige Roboter-Mechanismen vor,
welche inha¨rente Nachgiebigkeit und zahlreiche Vorteile gegenu¨ber den Konstruktionen aus
dem Stand der Technik aufweisen. Entscheidendster Aspekt im Rahmen dieser Arbeit ist die
EntwicklungvonMechanismen,welcheaufeinezentraleVersorgungderAktorenberuhenund
dabei eine vergleichsweise einfache und pra¨zise Ansteuerung ermo¨glichen. Die entwickelten
Prototypen besitzen klar definierte mechanische, elektrische und softwaretechnische Schnitt-
stellen, so dass eine ausgepra¨gte Modularita¨t resultiert. Prinzipbedingt ko¨nnen die entwick-
elten nachgiebigen Mechanismen entsprechend innerhalb Applikationen mit Mensch-Roboter-
Interaktioneingesetztwerden.
V
Acknowledgments
I gratefully acknowledge the contribution of Robotics Technology Leaders GmbH Mu¨nchen for
technicalandfinancialsupport,FestoAGandCo.KGEsslingenforthedonationofPAMs,and
amsAGforthedonationofrotaryencoders.
Moreover,thisthesiswouldnothavebeenpossiblewithouttheencouragementofProf.Dr.-Ing.
AloisKnollandDr.StefanRiesner. SpecialthanksgoestoMaximilianKarl,FelixSchultheiß,Jo-
hannesSchu¨rmannandMarkusHa¨ndlwhoalsogaveinvaluablesupportduringvariousstages
ofthedevelopmentwork.
IalsothankDr.GerhardSchrott,Marie-LuiseNeitzandDr.ReinhardLafrenzforadministrative
supportduringtheyearsatthechairforroboticsandembeddedsystems.
Lastly, my thanks go to my colleague M. Ali Nasseri for all the substantive debates and to
Richard Haensch for his manufacturing capabilities in the RBG workshop of TUM Informatics
Department.
VI
Contents
ListofFigures XI
ListofTables XV
1 Introduction 1
1.1 Developmentinrobotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Possibleapplicationscenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Safetyissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Technicalproblemanddefinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Activeandpassivecompliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Definitionofrobot-specificterms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Outlineofthethesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Relatedwork 7
2.1 Compliantactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Classicalelectricactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Conventionalfluidactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 Pneumaticartificialmuscles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Compliantmechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Evaluationofstateofresearch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Resultingrequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Opportunitiesfornovelrobotdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Prototypes 29
3.1 Designandinitialprototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 Initialstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.2 Initialsituationforfinalprototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Overviewoffinalprototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Discretemechanicaldesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.1 Discreteframestructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.2 Cardanjoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.3 Discretehardwareconnectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Continuummechanicaldesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.1 Continuumframestructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.2 Continuumhardwareconnectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5 Hardwarelayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5.1 Maincontrollerboards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
VII
Contents Contents
3.5.2 Pressurecontrollerboards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6 Actuatorandsensorintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.6.1 Miniaturevalves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.6.2 Pneumaticartificialmuscles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.6.3 Pressuresensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.6.4 Anglesensors–discretecase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.6.5 Stretchsensors–continuumcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.6.6 Gyroscopeandaccelerationsensor–continuumcase . . . . . . . . . . . 54
3.6.7 Assemblyofthesegments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Integration–discretecase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Integration–continuumcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.7 Comparisonwithknownmechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4 Kinematicsanddynamics 61
4.1 Worm-likerobotforwardkinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.1 Forwardkinematics–discretecase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.2 Forwardkinematics–continuumcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 Worm-likerobotinversekinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.1 Inversekinematics–discretecase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.2 Inversekinematics–continuumcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.3 Workspace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3 Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4 Model-basedenhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5 Motionanddynamicssimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5 Controlimplementation 81
5.1 Controlstrategy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Musclecalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3 Pressurecontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4 Anglecontrol–discretecase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.5 Stretchsensorcontrol–continuumcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.6 Decentralizedmodulararchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6 Experimentalresults 95
6.1 Experimentaltests–discretecase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.1.1 One-segmenttests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.1.2 Three-segmenttests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.1.3 Comparisonofdecentralvs.centralfeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.1.4 Forceandtorquetests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2 Experimentaltests–continuumcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2.1 One-segmenttests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2.2 Four-segmenttests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2.3 Comparisonofdecentralvs.centralfeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.4 Forcetests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.3 Valveandpressuredynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7 Applicationoutlook 123
7.1 Mobilerobotapplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
VIII
Contents Contents
7.2 Robotforautomaticvehiclerefueling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.3 Tankcleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.4 Fire-fightingrobot. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.5 Reconnaissanceinconstrainedspaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8 Conclusionsandfuturework 133
A Relateddocuments 137
A.1 Acquisitioncostforsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
A.2 Musclecharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
A.3 Movementtests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
References 147
IX
Contents Contents
X