Komponenten und Regelung

Aktuelle Designs von autonomen und mechatronischen Systemen basieren nicht mehr ausschließlich auf starren Mechanismen, sondern beinhalten spezifische elastische Eigenschaften. Hierdurch werden eine sichere Mensch-Maschine- und Mensch-Roboter-Interaktion und ein deutlich reduzierter Energieverbrauch durch Ausnutzung der Systemdynamik erreicht. Beide Aspekte tragen dazu bei, die Anforderungen an menschennah operierende Systeme zu erfüllen, werfen aber auch neue technische Fragen auf. Dies betrifft neben der steigenden Systemkomplexität insbesondere die Anforderungen, die sich aus der direkten Interaktion zwischen Mensch und Maschine ergeben.

Unsere aktuelle Forschung konzentriert sich auf das Design von Komponenten, z. B. elastischen Aktoren, mit dem Fokus auf Energieeffizienz und Fehlertoleranz. Neben der Entwicklung von Mechanismen und Aktoren setzen wir uns auch mit Herausforderungen der Steuerung und Signalverarbeitung auseinander. Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Umsetzung von fehlertoleranten Designs mit integriertem Sicherheitsmanagement und unterstützen damit die Praxistauglichkeit von elastischen Aktoren. Durch die Berücksichtigung der menschlichen Perspektive können Komponenten und Steuerung so gestaltet werden, dass eine intuitive und robuste Mensch-Maschine-Interaktion gewährleistet wird.

Laufende Projekte

Lernende prädiktive Wartung von vernetzten Geräteflotten

Gefördert durch die Bayerische Forschungsstiftung AZ-1586-23

In diesem Projekt soll die prädiktive Wartung vernetzter Geräteflotten mit Hilfe von Lernverfahren und der Integration von Expertenwissen vorangetrieben werden. Zu diesem Zweck kombinieren wir maschinelles Lernen mit physikalischen Modellen, analysieren Datenflüsse zwischen Systemen analysieren, und berücksichtigen menschlische Expertise zum Systemverhalten und möglichen Fehlerfällen. Der daraus resultierende Ansatz zur prädiktiven Wartung für vernetzte Geräteflotten wird auf verschiedene Klassen von Systemen übertragen. Neben der Untersuchung industrieller Anwendungen werden wir eine Flotte mobiler Roboter aufbauen, um die Fähigkeiten des prädiktiven Wartungsansatzes zu demonstrieren und ihn der akademischen Welt, der Industrie und darüber hinaus zur Verfügung zu stellen.

Fehlerdiagnose und -toleranz für elastische Antriebssysteme in der Robotik: Physische Mensch-Roboter-Interaktion

Gefördert durch die DFG: BE 5729/1

Aus der erhöhten Systemkomplexität und dem Betrieb in potentiell kritischen Betriebszuständen wie (Anti-)Resonanzen können in elastischen Robotikantrieben technische Fehler resultieren. Um dem zu begegnen, erforschen wir Methoden zur Fehlerdiagnose und fehlertolerante Designs. Hierbei liegt ein Schwerpunkt auf der Mensch-Roboter-Interaktion, die bei elastisch angetriebenen Robotern auch mittels geeigneter Regelalgorithmen beeinflusst werden kann. Die Untersuchung der menschlichen Wahrnehmung elastischer Aktorsysteme bildet hierbei die Grundlage, um durch Fehlerdiagnose und -kompensation eine sichere und zuverlässige physische Mensch-Roboter-Interaktion zu erreichen.

  • Beckerle, P. (2016). Practical relevance of faults, diagnosis methods, and tolerance measures in elastically actuated robots. Control Engineering Practice, 50, 95-100.
  • Velasco-Guillen, R. J., Furnémont, R., Verstraten, T., & Beckerle, P. (2022, July). A Stiffness-Fault-Tolerant Control Strategy for a Redundant Elastic Actuator. In 2022 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM) (pp. 1360-1365). IEEE.

Abgeschlossene Projekte

Mensch-orientierte Methoden zur intuitiven und fehlertoleranten Regelung tragbarer Robotiksysteme

Unterstützt durch das “Athene Young Investigator” Programm der TU Darmstadt

In diesem Projekt wurden Regelungsansätze für tragbare Robotiksysteme zur Bewegungsunterstützung und –augmentation entwickelt, die eine effiziente und natürliche Unterstützung bieten und verhindern, dass sich Nutzende „durch den Roboter gesteuert“ fühlen. Als Basis zur adaptiven Impedanzregelung dienen psychophysikalische Experimente zur Erfahrung der Steifigkeit tragbarer Roboter durch die Nutzende, um vielseitige Fortbewegungsarten und Fehlertoleranz zu gewährleisten. Durch Human-in-the-Loop-Experimente wurde zudem die Körperschemaintegration tragbarer Robotiksysteme durch ihre Nutzende untersucht.

  • Stuhlenmiller, F., Schuy, J., & Beckerle, P. (2018). Probabilistic elastic element design for robust natural dynamics of structure-controlled variable stiffness actuators. Journal of Mechanisms and Robotics, 10(1), 011009.
  • Stuhlenmiller, F., Perner, G., Rinderknecht, S., & Beckerle, P. (2019). A stiffness-fault-tolerant control strategy for reliable physical human-robot interaction. In Human Friendly Robotics: 10th International Workshop (pp. 3-14). Springer International Publishing.

Analyse der natürlichen Dynamik und Regelung der Steifigkeit seriell- und parallel-elastischer robotischer Aktoren

Gefördert durch die DFG: BE 5729/2

In Kooperation mit der Vrije Universiteit Brussel untersuchten wir den Einfluss der Konfiguration von Aktor und Elastizität auf die Eigendynamik elastischer Antriebe und deren Leistungs-/Energieanforderungen. Hierzu werden in Simulationen und Experimenten starre, seriell- und parallelelastische Konfigurationen gegenübergestellt. Anhand der Ergebnisse werden Rückschlüsse für die Aktorauslegung und die Steifigkeitsregelung gezogen.

  • Verstraten, T., Beckerle, P., Furnémont, R., Mathijssen, G., Vanderborght, B., & Lefeber, D. (2016). Series and parallel elastic actuation: Impact of natural dynamics on power and energy consumption. Mechanism and Machine Theory, 102, 232-246.
  • Beckerle, P., Verstraten, T., Mathijssen, G., Furnémont, R., Vanderborght, B., & Lefeber, D. (2016). Series and parallel elastic actuation: Influence of operating positions on design and control. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 22(1), 521-529.