Entwurf und Validierung eines biologisch inspirierten, mechatronischen Antriebssystems für aquatische Roboter

Fremerey, Max GND

Mit Zunahme der Aktivitäten im Feld der Tiefseeforschung und –erkundung gewinnen autonome Unterwasserroboter an Bedeutung. Die Aufgabenerfüllung dieser mobilen Serviceroboter soll zukünftig verstärkt auch in solchen Gewässern erfolgen, welche dicht bewachsen oder mit Abfällen verunreinigt sind. Dadurch werden Antriebssysteme erforderlich, welche die Gefahr eines Funktionsausfalls aufgrund der Arbeitsumgebung des Roboters minimieren. Somit erfolgen innerhalb der vorliegenden Arbeit der systematische Entwurf, der Aufbau sowie die experimentelle Validierung eines biologisch inspirierten Antriebssystems, welches analog der Fortbewegung stetig schwimmender Fische den Vortrieb über gerichtete Verformung anstelle der Vollrotation eines Propellers erzeugt. Es wird ein Antriebssystem beschrieben, welches mit einer minimalen Anzahl an Aktuatoren einen technisch nutzbaren Vortrieb bei gleichzeitiger Beibehaltung der Manövrierfähigkeit ermöglicht. Ferner wird zur Optimierung des Energiebedarfs des Antriebssystems der Einfluss physisch vorhandener Energiespeicher untersucht.

Mobile autonomous underwater vehicles gain importance due to an increasing interest in deep sea exploration. A step forward in the use of these vehicles would include operation in unfavourable conditions, such as those caused by the presence of algae or pollutants. In order to minimise the risk of a failure or mal-function of the autonomous underwater vehicle caused by operation in such an environment, new propulsion systems are required. Therefore, this thesis introduces the design and validation of a biologically inspired propulsion system for swimming robots. Taking inspiration from the locomotion of steady swimming fishes, the propulsion required is generated by directed deformations, instead of a rotating propeller. The main novelty of this propulsion system is the generation of thrust using oscillating rigid body elements which are connected by elastic elements, here springs. Considering the state of the art, the challenges are in the reduction of actuators required for locomotion without losing usable thrust while keeping high maneuverability of the robot. For these purposes the contribution of the elastic elements in reducing the demand of electrical power during tail beat cycles is analysed, studying their ability to convert accumulated kinetic energy into potential energy. The demand for power as well as the locomotor behavior of the propulsion system is analysed using multi-body models, and numeric simulations. Due to systematic parameter research, proper configurations are carved out. Based on these results, a prototype is designed and manufactured subsequently: The experimental platform URMELE 1.0, as a representative of the aquatic robot family URMELE. Its properties are validated using a customized experimental set-up. Results gained by experimentation are compared to simulation data successively. However, experiments performed confirm that the biologically inspired propulsion system exhibits favourable configurations with regards to the demand of electrical power and its locomotive behaviour, when parameters such as amplitude and spring rate are varied.

Mit Zunahme der Aktivitäten im Feld der Tiefseeforschung und -erkundung gewinnen autonome Unterwasserroboter an Bedeutung. Die Aufgabenerfüllung dieser mobilen Serviceroboter soll zukünftig verstärkt auch in solchen Gewässern erfolgen, welche dicht bewachsen oder mit Abfällen verunreinigt sind. Dadurch werden Antriebssysteme erforderlich, welche die Gefahr eines Funktionsausfalls aufgrund der Arbeitsumgebung des Roboters minimieren. Somit erfolgen innerhalb der vorliegenden Arbeit der systematische Entwurf so-wie die Validierung eines biologisch inspirierten Antriebssystems, welches analog der Fortbewegung stetig schwimmender Fische den Vortrieb über gerichtete Verformung anstelle der Vollrotation eines Propellers erzeugt. Die Neuartigkeit dieses Antriebssystems besteht darin, dass der Vortrieb mittels einer variablen Anzahl an wechselsinnig bewegten Starrkörperelementen generiert wird, welche untereinander federnd verkoppelt sind. Unter Einbezug des derzeitigen Standes der Wissenschaft und Technik besteht die Herausforderung in der Reduktion der für die Fortbewegung erforderlichen Anzahl der Aktuatoren unter Beibehaltung eines technisch nutzbaren Vortriebs sowie der Manövrierfähigkeit des Roboters. Zudem sollen die gezielt platzierten Energiespeicher innerhalb des Mechanismus eine Optimierung des Leistungsbedarfs eines schwimmenden aquatischen Roboters ermöglichen: die während der Oszillation auftretende kinetische Energie wird in potentielle und für den nächsten Schlagzyklus nutzbare Energie gewandelt. Anhand von Mehrkörpermodellen werden daher der Leistungsbedarf sowie das Bewegungsverhalten mittels numerischer Simulationen ermittelt und geeignete Konfigurationen durch systematische Parametervariation herausgearbeitet. Anschließend erfolgt die konstruktive Umsetzung der simulativ gewonnenen Erkenntnisse in der EXPERIMENTALPLATTFORM URMELE 1.0, einem Vertreter der aquatischen Roboterfamilie URMELE. Unter Verwendung eines ebenfalls innerhalb dieser Arbeit entworfenen Versuchsstandes wird die Experimentalplattform im Versuch validiert. Die Experimentaldaten werden anschließend mit den Simulationsdaten verglichen. Ausgesuchte Baugruppen werden modifiziert. Die durchgeführten Untersuchungen bestätigen hierbei, dass sich durch Beeinflussung der das Antriebssystem wesentlich charakterisierenden Parameter, wie beispielsweise Amplitude und Federsteifigkeit, günstige Konfigurationen hinsichtlich des Leistungsbedarfs sowie des Bewegungsverhaltens ergeben.

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Fremerey, Max: Entwurf und Validierung eines biologisch inspirierten, mechatronischen Antriebssystems für aquatische Roboter. Ilmenau 2016. Universitätsverlag Ilmenau.

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