Modellierung, Simulation und Entwurf biomimetischer Roboter basierend auf apedaler undulatorischer Lokomotion

Huang, Jianjun GND

Abstract zur Dissertation Autor: Jianjun Huang Titel: Modellierung, Simulation und Entwurf biomimetischer Roboter basierend auf apedaler undulatorischer Lokomotion _____________________________________________________________________________________________ This dissertation presented is contributing to the current research in the interdisciplinary field of Biomechatronics. In order to develop a technical locomotion system on the basis of rigid multi body system inspired by biological systems (earthworm), the concepts of the undulatory locomotion has been described and implemented technically into the prototypes. Compared to other natural motion patterns, e.g. legged walking, the biomimetic robot based on the peristaltic principle is of great interest to the engineer because of (1) the ability of miniaturization of compliant structures; (2) the ability to move on various terrain; (3) the ability to simplify the movement apparatus. According to the research of MILLER and STEIGENBERGER two aspect of worm like motion are defined: (1) unsymmetrical friction and (2) periodic internal deformations and its interactions with the environment. For this reason, in the theoretically mechanical part of this dissertation, these specific principles have been studied with analytical and computer aided methods. Control algorithm (gaits) for robots with worm like locomotion that are based on more than two DOF spring mass models and are realizing a forward velocity are proposed. The computer simulation of the dynamic behavior of these models and the prototypes have been achieved with the multi body dynamics package ALASKA. In most cases, the experimental evaluation of the numerical results have proven equality between the theory and the experiment. For the technical testing of the developed principle of locomotion and control algorithm two prototypes, which use the electromechanical motor and imbalance system have been designed and tested to produce an internal periodical excitation. The third prototype uses a piezo actuator as a motor and a flexible mechanisms as transmission element. Potential applications of robots with worm like motions are found in all fields of micro and nanotechniques. For these constraint dimensions locomotion systems that have classical motion principles, e.g. the wheeled mobile systems or legged systems, are not suitable for future potential application environments characterized by special terrains and tight space. Apedale peristaltic principle of locomotion may play an important role in the development of new apparatuses in micro technology. The development of applications in minimally invasive surgery has been encouraged by many national and international research institutes. The theoretical and experimental investigation have shown that future research is necessary.

Die vorgelegte Arbeit soll einen Beitrag zur Forschung im interdisziplinären Gebiet der Biomechatronik leisten. Es wurde ein Konzept zur Umsetzung einer undulatorischen Lokomotion zur Entwicklung technischer Bewegungssysteme nach biologischem Vorbild (Regenwurm), basierend auf Starrkörpersystemen mathematisch beschrieben und in Prototypen technisch umgesetzt. Gegenüber anderen Bewegungsformen in der Natur, wie z.B. dem Laufen mit Beinen liegt das ingenieurtechnische Interesse für biomimetische Roboter nach dem Peristaltik-Prinzip des Regenwurmes in (1) der Miniaturisierbarkeit der nachgiebigen Strukturen; (2) der Bewegungsmöglichkeit auf vielgestaltigem Untergrund; (3) der Einfachheit des Bewegungsapparates. Ausgehend von den Arbeiten von MILLER und STEIGENBERGER wurden die zwei Aspekte (1) nichtsymmetrische Reibung und (2) periodische interne Deformationen und ihre Auskopplung über Wechselwirkungen mit der Umwelt als wesentlich für eine wurmartige Fortbewegung definiert. Im mathematisch-mechanischen Teil der Arbeit wurden deshalb speziell diese Phänomene mit analytischen und computergestützten Methoden untersucht. Es sind Ansteueralgorithmen (gaits) für wurmartige Roboter, basierend auf Feder-Masse-Modellen mit dem Freiheitsgrad grösser zwei vorgeschlagen worden, die eine maximale Vortriebsgeschwindigkeit realisieren. Die Computersimulation des dynamischen Verhaltens dieser Modelle bzw. der entwickelten Prototypen erfolgte mit dem System ALASKA. Die experimentelle Evaluierung der numerischen Ergebnisse ergab in vielen Fällen gute qualitative und quantitative Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Zur praktischen Erprobung der gefundenen Bewegungsprinzipien und der Steuer-algorithmen wurden zwei Prototypen mit elektromechanischem Antrieb und Unwuchtsystem zur Erzeugung der internen periodischen Erregung konstruiert und getestet. Ein dritter miniaturisierter Prototyp arbeitet mit einem Piezoaktuator als Antrieb und einem nachgiebigen Mechanismus als Übertragungselement. Potentielle Einsatzgebiete für wurmartige Roboter sind vor allem im Bereich der Mikro- und Nanotechnik zu erwarten. In diesen Dimensionen sind Bewegungssysteme in ihrer klassischen Form, wie z.B. als "wheeled locomotion systems" und "legged locomotion systems", nicht geeignet für zukünftige potentielle Einsatzumgebungen, die u.a. durch das spezielle Terrain oder eingeschränkte Raumbedingungen gekennzeichnet sind. Apedale peristaltische Bewegungsprinzipien können bei der Entwicklung neuartiger Bewegungssysteme im Mikrobereich eine grosse Rolle spielen. Erste Entwicklungen für die minimal-invasive Chirurgie werden von mehreren Forschergruppen national und international vorangetrieben. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen haben deutlich gemacht, dass weitere Forschungen notwendig sind.

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Huang, Jianjun: Modellierung, Simulation und Entwurf biomimetischer Roboter basierend auf apedaler undulatorischer Lokomotion. 2003.

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