Frederik Lamping

• Eine große Untergruppe der Soft Robotik sind die mehrkammerigen pneumatischen Biegeaktuatoren.Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung dieser Art Aktuatoren mittels eines Balkenmodells und arbeitet speziell die Vorteile heraus, die sich aus einer Berücksichtigung der wechselseitigen Abhängigkeiten von Design und Modellierung ergeben. Die Verwendung eines Balkenmodells ist numerisch deutlich effizienter als die Simulation eines dreidimensionalen Körpers, trotzdem werden die Freiheitsgrade axiale Dehnung, Biegung, Scherung und Torsion vom verwendeten Cosserat-Balken berücksichtigt. Zunächst wird ein sinnvolles Design für mehrkammerige Biegeaktuatoren durch systematische Untersuchung von Designaspekten und unter Berücksichtigung von Aspekten der Modellierung hergeleitet. Zur Modellierung der einzelnen Kammern des Biegeaktuators wird ein Ansatz mittels des Prinzips der virtuellen Arbeit gewählt. Das resultierende Modell erlaubt insbesondere Rückschlüsse auf die Sensitivität der Kammern gegenüber externen axialen Kräften. Dies ist ein wichtiger Aspekt, der bei der Modellierung des mehrkammerigen Biegeaktuators mittels Cosserat-Balken aufgegriffen wird. Dieses Modell wiederum nutzt das besonders gut zu modellierende Design des Aktuators, um einen Zusammenhang zwischen Dehn- und Biegesteifigkeit herzustellen, der, im Gegensatz zu bisherigen Modellen, auch Rücksicht auf die axiale Dehnung des Aktuators nimmt. So lassen sich dreidimensionale Simulationen einzig auf Grundlage axialer Parameteridentifikation durchführen. Die in dieser Arbeit hergeleiteten Zusammenhänge zwischen Design und Modellierung und die daraus entwickelten Methoden sind eine wichtige Grundlage für komplexere Anwendungen in der Zukunft.
• A large subgroup in soft robotics are pneumatic multi-chamber bending actuators. This dissertation addresses the modeling of this type of actuator using a beam model, and specifically elaborates the advantages of considering the interdependencies of design and modeling. Using a beam model is numerically much more efficient than simulating a three-dimensional body, nevertheless the degrees of freedom of axial strain, bending, shear, and torsion are considered by the Cosserat-beam used. First, a reasonable design for a multi-chamber bending actuator is derived by systematically studying design aspects with considering aspects of modeling. An approach using the principle of virtual work is adopted to model the individual chambers of the bending actuator. In particular, the resulting model allows conclusions to be drawn about the sensitivity of the chambers to external axial forces. This is an important aspect which is considered in the modeling of the multi-chamber bending actuator using the Cosserat-beam. This model, in turn, takes advantage of the particularly easy-to-model design of the actuator to establish a relationship between extensional stiffness and bending stiffness that, unlike previous models, also takes into account the axial strain of the actuator. Thus, three-dimensional simulations can be performed based solely on axial parameter identification. The relationships between design and modeling derived in this work and the methods developed from them are an important basis for more complex applications in the future.