Sehnengetriebene, serienelastische Ultraleichtbauroboter weisen einzigartige Sicherheitseigenschaften auf, die auf ihrer sehr geringen Masse der sich bewegenden Teile, sowie der mechanischen Entkopplung der Motor- und Gliederträgheiten basieren. Dadurch sind sie besonders gut für die sichere physikalische Mensch-Roboter-Interaktion und -Kollaboration geeignet. Allerdings gehen mit diesem Antriebskonzept auch inhärente Unsicherheiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit einher, die hauptsächlich aus der Kombination von Verschleißerscheinungen, unvermeidlichen Modellungenauigkeiten und den hohen mechanischen Elastizitäten, die Schwindungen in den Gelenken begünstigen, resultieren. Um die oben genannten Vorteile des Antriebskonzepts nutzen zu können, muss daher zunächst eine Reihe von Herausforderungen überwunden werden. Es zeigt sich, dass diese Herausforderungen, insbesondere die Leistungsfähigkeit der Geschwindigkeitsschätzung, die robuste Drehmomentübertragung, die Trajektorienregelung und die Mensch-Roboter-Kooperation, weitgehend überwunden werden können. Der damit einhergehende, zuverlässige Einsatz solcher Roboter ist ein wichtiger Schritt zur Nutzung ihrer einzigartigen Sicherheitsfunktionen für die physikalische Mensch-Roboter-Kollaboration in industriellen Anwendungen. Um einen Einblick in die Sicherheitseigenschaften im Einsatz als kollaborierende Roboter zu erhalten, wurde eine Risikoanalyse gemäß der neuen ISO/TS 15066 durchgeführt und die Klasse von sehnengetriebenen, serienelastische Ultraleichbauroboter mit den weit verbreiteten, herunterskalierten, steifen Roboter verglichen. Zudem wurde durch einen Kollisiontest der Einfluss von hoher Nachgiebigkeit in Kontaktsituationen aufgezeigt.

In leichtgewichtigen und herunterskalierten Roboterstrukturen ist die einsetzbare Größe der Positionssensoren begrenzt, was zu einem relativ groben, diskreten Positionssignal führt. Darüber hinaus erleichtern Gelenkelastizitäten schnelle und schwingende Bewegungen mit einer großen Bandbreite von Frequenzen und Geschwindigkeiten. Für eine effektiv gedämpft-geregelte Bewegung, aber auch für modellbasierte Berechnungen, ist eine genaue Geschwindigkeitsschätzung unerlässlich. Kalman-Filter-Ansätze zeigten bereits genaue Ergebnisse bei der Positionssignal-basierten Geschwindigkeitsschätzung, aber lediglich innerhalb einer kleinen Bandbreite, die mit dem Messvarianzparameter des Filters korreliert. Um für das betrachtete Antriebskonzept ein geeignetes Verfahren zu entwickeln, wird in der vorliegenden Arbeit der geschwindigkeits- und frequenzabhängige optimale Filterparameter der Messvarianz zunächst analysiert. Die hierbei beobachteten Parametereigenschaften dienen als Basis für die vorgestellte, neue Aktualisierungsvorschrift der Messvarianz. Der resultierende, neuartige adaptive Kalman-Filter-Ansatz ist für die betrachtete Anwendung besser als der verglichene State-of-the-Art-Ansatz geeignet, da eine glattere und genauere Geschwindigkeitsschätzung erzeugt wird.

In biologisch inspirierten, mechanischen Strukturen werden Sehnen zur Übertragung von Kräften entlang einer kinematischen Kette verwendet, welche hohen Ansprüchen an Robustheit genügen und gleichzeitig kleine Umlenkradien ermöglichen müssen. Aufgrund der Anforderungen an die Größe und die zu übertragene Kraft sind Drahtseile und Riemen hier häufig nicht einsetzbar – im Gegensatz zu Synthetikfaserseile. Über die Reißkraft hinaus werden von den Herstellern hierzu allerdings nur wenige Produktinformationen bereitgestellt. Daher sind weitere Untersuchungen notwendig, um zu ermitteln, ob ein Seil als zuverlässige Komponente des Antriebs geeignet ist, was hauptsächlich von dem Längungsverhalten abhängt. Hierzu werden in der vorliegenden Arbeit neue, systematische Kriechversuche bzgl. verschiedener Materialien, Hersteller und Durchmesser sowie Biegeversuche vorgestellt. Die erlangten Erkenntnisse über die Seileigenschaften unterstützen die Entscheidung zur Materialauswahl während der Entwicklungsphase eines Systems und geben Einblicke in das Langzeitverhalten. Zur Überwachung des Langzeitverhaltens, wird ein in Simulationen und Roboterexperimenten evaluiertes, beobachterbasiertes Verfahren vorgestellt, welches ohne Gelenkdrehmomentmessung auskommt und dennoch eine Erkennung der Seillängung auch unter Modellungenauigkeiten ermöglicht.

In einer industriellen Anwendung wird erwartet, dass ein Robotersystem eine Bewegung präzise und ohne Änderungen im Zeitverlauf durchführt. Die geschilderten Unsicherheiten der elastischen Sehnenantriebe können die Regelungsgenauigkeit und damit die Zuverlässigkeit der Roboterbewegung jedoch stark beeinflussen. Moderne Regelungsansätze für gelenkelastische Roboterarme beruhen auf genaue Gelenkmomentmessungen und Dynamikmodelle. Verfügbare Drehmomentsensoren mit einem geeigneten Drehmomentbereich sind allerdings schwer und groß und passen daher nicht zu dem Leichtgewichtsantriebskonzept. Daher können bislang lediglich fehlerbehaftete, modellbasierte Drehmomentschätzungen und damit ungenaue, lastabhängige Reibungsmodelle verwendet werden, mit denen die bisherigen Regelungsansätze keine zufriedenstellenden Ergebnisse zeigen. Mit dem Ziel, die Modellabhängigkeiten zu reduzieren, wird in der vorliegenden Arbeit die Leistung eines Reibungsbeobachters unter fehlerhaften Drehmomentschätzungen untersucht. Als Ergebnis wird ein Regelungsentwurf vorgeschlagen, der Ungenauigkeiten sowohl im Antriebsstrang als auch der Roboterdynamik ausgleicht. Dieser Regelungsentwurf integriert einen Reibungsbeobachter in einen Zustandsregelungsansatz ohne die Notwendigkeit einer expliziten Drehmomentmessung, eliminiert Restregelabweichungen und ermöglicht Kontaktsituationen.

Ein wesentlicher Bestandteil einer Mensch-Roboter-Kollaboration ist unter anderem die physikalische Interaktion zur Lösung von gemeinsamen Aufgaben. Um diese zu erfassen, muss der Roboterarm externe Kräfte schätzen können. Dies kann durch Störungsbeobachter, die lediglich auf Basis interner Daten arbeiten und damit für das betrachtete System geeignet sind, geschehen. In der vorliegenden Arbeit werden die Genauigkeitseinschränkungen dieser Ansätze theoretisch und in simulierten Roboterexperimenten untersucht. Ziel ist es, die Fähigkeiten von sehnengetriebenen, gelenkelastischen Robotern zur Schätzung externer Drehmomente aufzudecken. Zudem sollte es dem Benutzer möglich sein, die auszuführenden Bewegungen ohne hohen Aufwand einzulernen. Zu diesem Zweck wird ein Teach-In-Regler, der handgeführte Bewegungen auch unter fehlerhaften Antriebsmodellen ermöglicht, vorgestellt und in realistischen Simulationen evaluiert. Neben der physikalischen Interaktion erfordert eine erfolgreiche Kollaboration darüber hinaus eine klare Kommunikation zwischen Mensch und Roboter. Zur Untersuchung der Einflüsse von Roboterzustandsvisualisierungen auf das Situationsbewusstsein des Benutzers und die Schätzung der Roboterintention während kollaborativer Aufgaben wird eine vorläufige Benutzerstudie durchgeführt. Außerdem werden Metriken zur Verschleißschätzung eingeführt und diskutiert, die den Menschen dabei unterstützen, die Intaktheit des Roboters zu beurteilen.