Ein Beitrag zur Anwendung der Theorie undulatorischer Lokomotion auf mobile Roboter : Evaluierung theoretischer Ergebnisse an Prototypen

Abaza, Khaldoun GND

Abstract of the thesis Undulatory locomotion systems are located in the centre of this thesis. That is why it was important to define the terms undulation and locomotion. Locomotion is generally defined as the directed change of location of natural or technical systems. But it turns to be difficult to give a comprehensive definition of the term locomotion from the viewpoint of mechanics. It was mathematically described in this thesis as follows: Locomotion systems are technical systems, which are able to move all their points in a selected characteristic time interval with same or different amount and direction. Mechanics understand undulation as an excitation of the actuators, which comes from the outside or the inside of the system. Then the actuators produce (usually) a periodic change of shape, which causes a global change of location of the system through interaction with the environment. In this thesis, undulatory locomotion systems are developed by means of two prototypes. The prototype (TM-ROBOT) was developed according to the undulatory (peristaltic) movement principle of the earthworm (length variation of segments). A system, which uses the peristaltic motion principle for the movement, means that this system moves itself through periodic deformations of its body, non-symmetric friction forces and interaction with the environment. The prototype (MINCH-ROBOT) is a micro robot, which does not convert a classical undulatory locomotion. It consists of a piezo actuator and is equipped with two passive legs and a tail. His undulation is produced through transmission of the high frequency vibrations of its body (piezo actuator) on the legs. Thus complex spatial trajectories of the leg endpoint can be produced. The unsymmetry of the two legs plays a substantial role to control this prototype. This (on purpose realized) unsymmetry between right and left leg is the cause for a shift of the resonance ranges of the legs. Thus the robot becomes controllable in its direction. Numeric Simulations of the two prototypes and measurements of the material object support the theory of this work, which is thus integrated with the broad field of the locomotion systems.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen undulatorische Lokomotionssysteme. In diesem Zusammenhang wurden die Begriffe Undulation und Lokomotion definiert. Die gerichtete Ortsveränderung natürlicher oder technischer Systeme ist generell als Lokomotion zu verstehen, aber es erweist sich als schwierig, eine aus Sicht der Mechanik umfassende Definition des Begriffes Lokomotion zu geben. . Er wurde in dieser Arbeit, mathematisch, wie folgt beschrieben: Lokomotionssysteme sind technische Systeme, die in der Lage sind, alle ihre Punkte in einem ausgewählten charakteristischen Zeitintervall zu bewegen, wobei durchaus Größe und Richtung der Lageänderung der Punkte verschieden sein können. Die Mechanik versteht unter Undulation die Bewegung durch eine Erregung der Aktuatoren des Systems, die sowohl von außen kommen oder im Inneren erzeugt werden kann. Der Aktuator erzeugt seinerseits eine in der Regel periodische Gestaltänderung, welche durch die Wechselwirkung mit der Umgebung eine globale Lageänderung erzeugt. In der vorliegenden Arbeit wurden undulatorische Lokomotionssysteme theoretisch und mittels zweier entwickelter Prototypen untersucht. Der Prototyp (TM-ROBOT) wurde nach dem undulatorischen Bewegungsprinzip des Regenwurms (Längenänderung von Segmenten) aufgebaut. Ein Bewegungssystem, das für die Bewegung das peristaltische Bewegungsprinzip nutzt, bewegt sich mit periodischen Verformungen seines Körpers und nichtsymmetrischen Reibkräften unter Einbeziehung der Wechselwirkung mit der Umgebung. Der Prototyp (MINCH-ROBOT) im Rahmen dieser Arbeit ist ein Mikroroboter, der keine klassische undulatorische Lokomotion umsetzt. Er besteht aus einem Piezoaktuator und ist mit zwei passiven Beinen und einem Schwanz ausgerüstet. Die Undulation besteht in der Übertragung von den hochfrequenten Schwingungen seines Körpers (Piezoaktuator) auf die Beine. Somit werden komplexe räumliche Trajektorien der Beinendpunkte erzeugt. Bei dem Steuerprinzip dieses Mikroroboters spielt die Nichtsymmetrie der beiden Beine eine wesentliche Rolle. Diese (absichtlich realisierte) Nichtsymmetrie zwischen rechtem und linkem Bein ist die Ursache für eine Verschiebung der Resonanzbereiche der Beine. Damit wird der Roboter in seiner Richtung steuerbar. Numerische Simulationen der beiden Prototypen und Messungen an realem Objekt stützen die Theorie dieser Arbeit, die sich somit in das breite Feld der Lokomotionssysteme eingliedert.

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Abaza, Khaldoun: Ein Beitrag zur Anwendung der Theorie undulatorischer Lokomotion auf mobile Roboter. Evaluierung theoretischer Ergebnisse an Prototypen. 2007.

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