Publications

Bristle bots are vibration-driven robots actuated by the motion of an internal oscillating mass. Vibrations are translated into directed locomotion due to the alternating friction resistance between robots' bristles and the substrate during oscillations. Bristle bots are, in general, unidirectional locomotion systems. In this paper we demonstrate that motion direction of vertically vibrated bristle systems can be controlled by tuning the frequency of their oscillatory actuation. We report theoretical and experimental results obtained by studying an equivalent system, consisting of an inactive robot placed on a vertically vibrating substrate.

Die Lokomotion von Systemen auf weichen verformbaren Sandböden ist aus dem Alltag bestens bekannt. Dennoch gehört die Interaktion mit granularen Materialien noch zu den weitestgehend unverstandenen und nur unvollständig abgebildeten Phänomenen in unserer Umwelt. Während das Lokomotionssystem auf der Erde häufig direkt beeinflusst werden kann, ergeben sich in der planetaren Exploration Probleme wie die Unzugänglichkeit des Systems. Bisherige Modellierungsansätze können dabei die Boden-Interaktion nur unzureichend abbilden. Diese Arbeit zielt daher darauf ab, die Diskrete Elemente Methode weiterzuentwickeln und für die Entwicklung von Systemen zum Erforschen unseres Sonnensystems nutzbar zu machen. Um das Scherversagen granularer Medien genau und effektiv abzubilden, wird eine Modellierung der Kornform über 2D-Rotationsgeometrien vorgestellt, wobei die Kugel für die Kontakterkennung beibehalten wird. Um auf die Partikel wirkende Kräfte wie Reibung und Kohäsion abzubilden, werden bestehende Kontaktmodelle erweitert. Um diese Kontaktmodelle sinnvoll einsetzen zu können, wird zudem ein Parameteridentifikationsverfahren vorgestellt, welches ohne Kalibrierungssimulationen auskommt. Damit kann ein Kontaktparametersatz über hinreichende Bedingungen, mikroskopische Bilder und einen Look-up Table in nur 5 s statt bis zu 5000 CPU-Stunden erstellt werden. Diese Methode wird mit dem Bevametertest für zwei Böden verifiziert. Die gesamte Modellmethodik wird dann als neues Framework DEMETRIA auf Basis von Pasimodo implementiert und für zwei Anwendungen genutzt. Bei der ersten Anwendung, dem HP3-Mole für den Mars, konnte für die Modelle der Eindringtiefe pro Schlag eine Abweichung von weniger als 16% gegenüber Messdaten erreicht werden. Weiterhin konnte durch eine Nutzung der Modelle in Optimierungen die Zieltiefe von 5m bei einer Leistungsaufnahme von weniger als 5W erreicht und die dafür nötige Schlaganzahl auf 25% gesenkt werden. Für die zweite, exemplarische Anwendung, die Räder planetarer Rover, werden prinzipielle Effekte der Interaktion untersucht und die Simulationen qualitativ mit realen Testfahrten verglichen. In diesen Vergleichen wurde ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit den realen Effekten der Bodenverformung festgestellt. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Modelle für Radoptimierungen zur Verbesserung der Effizienz und Traktion genutzt werden können.

Eine größere Effizienz mobiler Roboter wird zukünftig neue, nicht konventionelle Fortbewegungsprinzipien erfordern. Bei der Inspektion von komplexen, unstrukturierten Umgebungen ist der Einsatz von formvariablen Lokomotionssystemen mit ausgeprägter mechanischer Nachgiebigkeit vorteilhaft bzw. unbedingt erforderlich. Mechanisch vorgespannte nachgiebige Strukturen erlauben eine solche geforderte Formvariabilität mit nur wenigen Aktuatoren bei gleichzeitig einfachem Aufbau. Eine Klasse dieser Strukturen bilden nachgiebige Tensegrity-Strukturen. Das Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Anwendung von nachgiebigen Tensegrity-Strukturen in Lokomotionssystemen zu leisten. Im Vordergrund steht dabei der systematische, modellbasierte Entwurf von Systemen basierend auf nichtkonventionellen Strukturen, nichtklassischer Aktuierung und Fortbewegungsart. Nach einleitenden Betrachtungen zu Tensegrity-Strukturen, ihrer Anwendung in der mobilen Robotik werden zunächst bekannte Lokomotionssysteme auf Basis der betrachteten Strukturen in der Arbeit klassifiziert. Anschließend erfolgen Betrachtungen zu den Besonderheiten eines Berechnungsverfahrens nach der statischen FE-Methode in Hinblick auf die Formfindung von nachgiebigen Tensegritätsstrukturen. Weiterhin werden Nachgiebigkeit und Formvariabilität charakterisierende Kenngrößen diskutiert. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden Untersuchungen zu drei Klassen von Lokomotionssystemen auf Basis der betrachteten Strukturen: Systeme mit rollender und vibrationsinduzierter Fortbewegung sowie Systeme mit Fortbewegung auf Basis von multistabilen Tensegrity Strukturen mit mehreren Gleichgewichtskonfigurationen. Abschließend werden eine Zusammenfassung der durchgeführten Arbeiten und ein Ausblick gegeben.

A passive vibrissa (whisker) is modeled as an elastic bending rod that interacts with a rigid obstacle in the plane. Aim is to determine the obstacle's profile by one quasi-static sweep along the obstacle. To this end, the non-linear differential equations emerging from Bernoulli's rod theory are solved analytically followed by numerical evaluation. This generates in a first step the support reactions, which represent the only observables an animal solely relies on. In a second step, these observables (possibly made noisy) are used for a reconstruction algorithm in solving initial-value problems which yield a series of contact points (discrete profile contour).

In this contribution the effective material transport, i. e. the non-zero averaged flow, solely induced by a periodically perturbed free fluid surface, is analytically described and solved. As the fluid is magnetizable the source of the perturbance is a periodically alternating magnetic field. This represents the inverse problem of [1], where, starting from a known flow and surface distortion, the causative magnetic field is determind.

In this paper we consider an adaptive control problem of finite DoF worm-like locomotion systems (WLLS) which contact the ground with Coulomb dry friction. Using a rough mathematical friction law the system is shown to belong to a system class that allows adaptive control. Gaits from the kinematic theory can be tracked by means of adaptive controllers. For this we introduce two different adaptive controllers for [lambda]-tracking and focus on that one which is not based on the derivative of the output.We pay attention to the analysis of such systems and present some theoretical control investigations including proofs. Numerical simulations of tracking different reference signals under arbitrary choice of the system parameters demonstrate and illustrate that the introduced simple adaptive controllers work successfully and effectively. Current experiments are aimed at the justification of theoretical results.

This paper is a contribution to the modeling and the adaptive control of bio-inspired sensors which have the animal vibrissae as a paradigm. Mice and rats employ a sophisticated tactile sensory system to explore their environment in addition to their visual and auditory sense. Vibrissae in the mystical pad (region around the mouth) are used both passively to sense environmental influences (wind, objects) and actively to detect surface and object structures. Inspired by this particular version of tactile sense we consider the following three stages of a sensory system: perception, transduction and processing of information. We model this system in combining two existing mechanical models and obtain an uncertain nonlinear control system. An applied adaptive controller implements the ability of the animals to employ their vibrissae actively as well as passively. Numerical simulations show that the developed nonlinear model compensates noise signals and reacts strongly to sudden perturbations while guaranteeing a pre-specified control objective (working in active or passive mode).