Ansteuerung von Servomotoren für ein antagonistisches, seilzugbasiertes Robotergelenk in ROS 2

Abstract

Die nachfolgende Masterarbeit erstellt ein Konzept zur Ansteuerung eines seilzugbasierten, antagonistischen Roboterarms aus einer Robot Operating System 2 (ROS 2) Umgebung. Konkret wird die Ansteuerung des ersten ELISE-Gelenkes untersucht. Dieser Prototyp des MO Institutes vom Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) soll für die automatisierte Instandhaltung beengter Räume, wie beispielsweise dem Fahrgestell eines Flugzeuges, eingesetzt werden. Die Arbeit beinhaltet das Erstellen eines Konzeptes zur Positionsregelung mit definierter Bahngeschwindigkeit, die Kommunikation des Steuersystems mit den Motorensteuerungen und die Implementation der Logik in ein ros2_control-Hardwareinterface. Es zeigt sich, dass sich das Verhalten des Seilzuges zum Einstellen eines Winkels als nicht linear und asymmetrisch ergibt. Die Lösung erfolgte durch eine inverse Kinematik unter einem geometrischen Ansatz. Dieser wird von der Regelungstechnik aufgegriffen und ein Regelkreis mit zwei entkoppelten, antagonistischen Motoren entworfen. Über einen USB-Bus werden an CANopen angelehnte Telegramme zur Kommunikation zwischen Motorsteuerung und Steuersystem gesendet. Die Implementation erfolgte über eine ros2_control SystemInterface. Abschließend wird das erstellte System mit Testreihen zur Regelzeit und Präzision validiert. Es zeigt sich, dass geringe Regelzeiten eine Herausforderung für die langen Antwortzeiten der Motorsteuerungen darstellen. Außerdem ist ein Präzisionsverlust durch die Vorsteuerung ab der Seilzugmanipulation erkennbar. Für aufbauende Arbeiten wird empfohlen, die Anfragen an die Motorsteuerung gering zu halten und zusätzliche Sensoren für einen geschlossenen Regelkreis auf der Gelenkebene einzubauen.