Object Manipulation of the Variable Topology Truss system

Technische Zusammenfassung: Objektmanipulation des Systems mit variabler Truss-Topologie (VTT)

Problemstellung
Während Truss-Robotersysteme aufgrund ihrer Vielseitigkeit für den schnellen Einsatz und die mobile Erkundung untersucht wurden, bleiben ihre Fähigkeiten zur Objektmanipulation unterentwickelt. Obwohl die kinematische Analyse und die Trajektorienplanung in der vorherigen Literatur behandelt wurden, wurden spezifische Strategien für die Kraftregelung im Aufgabenraum sowie die gleichzeitige Positions-Kraft-Regelung nicht umfassend untersucht. Das System mit variabler Truss-Topologie (VTT), das für unstrukturierte Umgebungen wie Katastrophengebiete konzipiert ist, steht bei der Manipulation vor einzigartigen Herausforderungen: Die hohe Reibung, die den Spiral-Zipper-Aktuatoren innewohnt, sowie die komplexe Kinematik und Statik der Truss-Struktur erschweren die Entwicklung von Reglern, die sowohl die Position des Kontaktpunkts als auch die Kraft präzise nachführen können. Darüber hinaus stützen sich bestehende Studien weitgehend auf Simulationen oder Experimente mit einzelnen Aktuatoren und fehlen experimentelle Validierungen der Kraftregelung in vollständigen Truss-Konfigurationen.

Methodik
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, schlagen die Autoren ein hierarchisches hybrides Regelungsframework vor, das Position und Kraft gleichzeitig ohne explizite Entkopplung regelt.

• Hardware und Aktorik: Das VTT-System verwendet Gliedmodulen, die mit Spiral-Zipper-Aktuatoren ausgestattet sind, welche große Dehnungsverhältnisse bieten, jedoch unter hoher innerer Reibung leiden. Jedes Modul enthält eine Lastzelle zur Kraftmessung, einen ESP32-Mikrocontroller für die unterlagerte Regelung und drahtlose Kommunikationsfähigkeiten.
• Regelungsarchitektur:
  • Unterlagerte Regelung: Um die Aktuatorreibung zu überwinden, wird auf Aktuatorebene ein sensorbasiertes Kraft-Rückkopplungsregler (Proportional-Integral) implementiert. Dieser Regler regelt den PWM-Eingang des Motors, um basierend auf Lastzellenmessungen gewünschte axiale Kräfte zu erzeugen.
  • Überlagerte Regelung: Ein statisches Modell des VTT-Systems wird verwendet, um gewünschte Kräfte im Aufgabenraum an Zielknoten auf die erforderlichen inneren Gliedkräfte abzubilden. Die inverse Transponierte der Jacobi-Matrix wird genutzt, um die notwendigen Gliedkräfte ($\lambda$) zur Erzielung einer gewünschten Knotenkraft ($F_{des}$) zu berechnen, unter Berücksichtigung äußerer Kräfte und der Schwerkraft.
  • Hybride Strategie: Die Kerninnovation ist ein einheitliches Regelgesetz, das einen Kraftbefehl ($F_{cmd}$) erzeugt, indem die gewünschte Kraft und ein proportionaler Rückkopplungsterm basierend auf dem Positionsfehler ($P_{des} - P_{curr}$) summiert werden. Dieser Ansatz vermeidet die traditionelle Entkopplung von Kraft und Position in orthogonale Unterräume und ermöglicht es dem System, beide Variablen gleichzeitig in derselben Richtung zu regeln.
• Experimentelle Konfigurationen: Die Studie bewertet das System unter Verwendung zweier Konfigurationen:
  1. Doppeltes Tetraeder: Eine vollständig eingeschränkte Struktur, die verwendet wird, um die kombinierte Positions- und Kraftnachführung über lineare und kreisförmige Trajektorien zu testen.
  2. Oktaeder: Eine überbestimmte Struktur, die verwendet wird, um eine praktische Manipulationsaufgabe zu demonstrieren, die den Transport und das Stapeln von Objekten umfasst.

Hauptergebnisse

• Leistung auf Aktuatorebene: Einzelmodultests bestätigten, dass die Spiral-Zipper-Aktuatoren während der Krafthaltephasen zuverlässig axiale Kräfte erzeugen und aufrechterhalten konnten, mit einem Fehler von weniger als 5 %, trotz einer „toten Zone" bei niedrigen Kräften, die durch innere Reibung verursacht wird.
• Systemweite Kraftregelung: Experimente an sowohl tetraedrischen als auch pyramidenförmigen (überbestimmten) Konfigurationen zeigten, dass das System während der Haltephasen Zielkräfte mit einem Fehler von etwa 5 % nachführen konnte. Obwohl bei niedrigeren Kräften aufgrund der Aktuator-toten Zone und Gelenkreibung Überschwingen beobachtet wurde, erwies sich die Regelungsmethode als effektiv für sowohl vollständig als auch überbestimmte Strukturen.
• Manipulationsleistung:
  • In der Konfiguration mit doppeltem Tetraeder folgte das System erfolgreich linearen und kreisförmigen Trajektorien, während es eine Greifkraft von 60 N aufrechterhielt. Der quadratische Mittelwert des Positionsfehlers (RMSE) blieb im Zentimeterbereich. Die Studie stellte einen Kompromiss fest, bei dem die Positionsgenauigkeit aufgrund der nicht-entkoppelten Regelverstärkungen gegenüber der Kraftnachfolgepräzision priorisiert wurde.
  • In der Oktaeder-Konfiguration führte das System erfolgreich eine komplexe Aufgabe aus: Es griff eine 309 g schwere Box, transportierte sie 0,5 m, legte sie ab und wiederholte den Vorgang mit einer zweiten Box. Die gesamte Sequenz dauerte ungefähr 4 Minuten und 50 Sekunden und demonstrierte wiederholbare Manipulation.

Bedeutung und Behauptungen
Die Arbeit behauptet, die erste experimentelle Demonstration der Objektmanipulation mit einem VTT-System unter Verwendung eines hierarchischen hybriden Regelungsframeworks vorzustellen. Die Autoren behaupten, dass ihr Ansatz eine konsistente und zuverlässige Manipulation in unstrukturierten Umgebungen ermöglicht, indem er die Schwierigkeit löst, die Position des Kontaktpunkts und die Kraft gleichzeitig nachzuführen. Durch die Validierung des Systems an sowohl vollständig als auch überbestimmten Konfigurationen legt die Studie eine Grundlage für autonome Manipulation in Katastrophenszenarien, wie etwa die Lieferung medizinischer Versorgungsgüter oder die Beseitigung von Trümmern. Die Arbeit bestätigt, dass trotz der hohen Reibung der Spiral-Zipper-Aktuatoren und der komplexen Statik eine sensorbasierte hybride Regelstrategie die notwendige Präzision für praktische Objektmanipulationsaufgaben erreichen kann.