Modellbasierte Methoden für Kontinuum-Manipulatoren zur Regelung, Steuerung und Interaktion mit der Umwelt

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In dieser Arbeit werden modellbasierte Methoden zur Interaktion mit der Umwelt für Kontinuum-Manipulatoren entwickelt. Zunächst wird ein dynamisches Modell unter Berücksichtigung nachgiebiger Materialien erstellt, das als Grundlage für den Regelungs- und Steuerungsentwurf dient. Dies erfordert strikte Echtzeitanforderungen. Um diese zu erfüllen, wird ein reduziertes, physikalisch interpretierbares Materialmodell entwickelt, das gleichzeitig online berechenbar ist. Auf Basis dieses Modells wird eine kaskadierte Regelstrategie verfolgt: In der äußeren Schleife erfolgt eine Gelenkwinkelregelung mittels des Computed-Torque-Ansatzes, während in der inneren Schleife eine Druckregelung auf einer Eingangs-/Ausgangslinearisierung basiert. Zur Kompensation von Modellunsicherheiten wird ein nichtlinearer modellbasierter Störgrößenbeobachter implementiert. Die bestehende Positionsregelung wird in eine hybride Kraft- und Positionsregelung integriert und um eine modellbasierte Kraftregelung ergänzt. Abschließend wird eine Optimalsteuerung entworfen, die Interaktionskriterien berücksichtigt, einschließlich der Steifigkeit in Bewegungsrichtung, der Nachgiebigkeit in orthogonalen Richtungen und der Detektierbarkeit externer Kräfte während der freien Bewegung. Das Gesamtkonzept wird an einem nachgiebigen Kontinuum-Manipulator, dem Bionischen Soft Arm, implementiert und experimentell validiert.