Machbarkeitsstudie für einen roboterbasierten Radprüfstand zur Entwicklung von Mars Mondrovern

Abstract

In der Verifizierung von Modellen der Terramechanik sowie bei der Entwicklung von Antriebskonzepten der Rover Lokomotion werden Einzelradprüfstände eingesetzt. Herkömmliche Prüfstände bieten jedoch nur einen begrenzten Funktionsumfang und haben konstruktionsbedingte Einschränkungen. Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken soll ein kraftgeregelter Industrieroboter zur Führung des Rades eingesetzt werden.

In dieser Arbeit wird die Machbarkeit eines solchen robotischen Einzelradprüfstands untersucht. Es wird zunächst die notwendige Hardware, Roboter und Kraft Momenten Sensor, ausgewählt. Anschließend werden aufbauend auf einem modularen Konzept alle Teilkomponenten modelliert und anschließend in ein Gesamtmodell integriert. In einer Mehrkörpersimulation wird der mechanische Aufbau des Prüfstands abgebildet. Zur Simulation des Rad-Boden Kontakts wurde ein auf Prinzipien der Terramechanik aufbauendes Modell entwickelt. In dem umgesetzten Rad-Boden Modell wird aus der relativen Position eines Rades zu einer den Boden repräsentierenden Ebene die Reaktionskräfte und Momente am Rad ermittelt. Diese werden als äußere Kräfte an das Mehrkörpersystem übergeben. Zusätzlich zur Mehrkörpersimulation wird ein Steuerungs- und Regelungskonzept entworfen und modelliert.

Stabilität und Performanz der Kraftregelung werden anhand des implementierten Prüfstandmodells untersucht. Durch eine Wurzelortskurven Betrachtung des linearisierten Systems wird der Einfluss von Roboter und Boden auf das Gesamtsystem identifiziert. Die Robustheit gegen Störgrößen wird in der Simulation untersucht, wobei die Parameter über ein Optimierungsverfahren ermittelt werden. In einen Praxisversuch wird der Einfluss der durch die Kommunikation eingebrachten Totzeit analysiert. Die Ergebnisse bestätigen die Machbarkeit eines robotischen Einzelradprüfstands.