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HKA-Absolvent gewinnt mit Roboterentwicklung Deutschlandpreis des Fachbereichstags Maschinenbau e. V.

Fahrender Einachsroboter kann durch selbst entwickeltes Steuerungssystem unter Hindernissen „durchtauchen“

15. November 2022

Einachsroboter, sogenannte Segways, die auf einer Achse mit Einzelantrieb der Räder aufrecht balancieren können, gibt es schon seit einigen Jahren. Was aber, wenn ein Hindernis oder eine geringe Raumhöhe den Weg versperren und der Roboter sich quasi bücken müsste, um sein Ziel zu erreichen? Der Roboter sollte also bspw. unter einer Stange durchtauchen können und auf der anderen Seite wieder aufrecht balancierend zum Stehen kommen.

Alessandro Papa hat bereits den Bachelor­studiengang Mechatronik an der Hochschule Karlsruhe (Die HKA) abgeschossen und beschäftigt sich nun mit dieser Frage in seiner Masterthesis am Embedded Mechatronics Laboratory der HKA. Dort werden Roboter-Testsysteme zum künstlichen Bewegungslernen entwickelt. Robotische Systeme sollen also eigenständig lernen, Bewegungs­aufgaben zu lösen wie das Aufheben eines Gegenstands oder das Durchtauchen unter einem Hindernis. Das Ziel seiner Masterarbeit: Einen Segwayroboter hardwareseitig, aber auch durch ein Steuersystem entsprechend zu erweitern. Zunächst entwickelte er über Simulationsstudien ein Konzept für den Roboter, in dem Anforderungen an Geometrie, Massen sowie Trägheiten berechnet wurden. Anschließend ging es an die tatsächliche Konstruktion. Der Segway wurde von ihm in der Mitte mit einem Schwungrad mit eigenem Antrieb erweitert, mit dem sich zusätzlich der Kippwinkel beeinflussen lässt, sodass er sich unabhängig von seiner Fahrtrichtung verneigen kann. Ein Hindernis lässt sich somit nicht nur vorwärts, sondern auch rückwärts fahrend „durchtauchen“. Die implementierte Software ermöglicht eine Bedienung des Roboters und somit auch die Durchführung von Experimenten. Im nächsten Schritt folgten die Steuerung zur Stabilisierung des Roboters und anschließend zum gewünschten Bewegungsablauf. Mit 20 bis 30 Testläufen war es dann möglich, die Steurung des Bewegungsablauf durch Iterative Learning Control (ILC) zu optimieren, einer Kombination aus Maschinellem Lernen und Regelungstechnik. Ohne selbstlernendes System wäre das ein erheblich höherer zeitlicher Ingenieuraufwand gewesen.

„Das Ergebnis der Arbeit ist ein voll funktionsfähiger, neuartiger Balancierroboter, der preiswert sowie leicht nachzubauen ist“, so Prof. Dr.-Ing. Joachim Wietzke aus der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik als Betreuer der Abschlussarbeit. „Die mögliche Anwendungsfelder sind sehr breit gefächert und reichen von Produktionsanlagen, Logistikzentren, medizinischen Robotern, Humanoidrobotern bis zur Energieversorgung. Nicht zuletzt werden wir ihn in der Methodenforschung im Feld des künstlichen Bewegungslernens einsetzen.“

Unter dem Motto „Kreativer Ingenieurnachwuchs!“ vergibt der Fachbereichstag Maschinenbau e. V. jedes Jahr den Deutschlandpreis für besonders herausragende, wirtschaftliche und technische Entwicklungen von Absolvent:innen, die einen besonderen Beitrag im Fachgebiet Maschinenbau leisten. Bei der Beurteilung der Abschlussarbeiten zählen vor allem Aspekte wie eine anspruchsvolle Aufgabenstellung mit einer herausragenden Bearbeitung und Lösung. Hier wiederum sind relevant das Niveau der Innovation, die praktische Umsetzung sowie die Qualität der Arbeit insgesamt. Der Deutschlandpreis für die beste eingereichte Masterarbeit ging in diesem Jahr mit einer Prämie von 2.000 Euro an Alessandro Papa für sein Roboterprojekt „Chabo – The Challenging Bot“.

Der Fachbereichstag Maschinenbau e. V. unterstützt die Hochschulen für angewandte Wissenschaften (HAWen) im Maschinenbau und in artverwandten Bereichen in Lehre und Forschung sowie in der Weiterbildung und dem Ausbau von berufsbegleitenden Studiengängen.

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