Generierung aufgabenspezifischer Roboterkinematiken durch kombinierte Struktur- und Maßsynthese

Die steigende Verwendung der Robotik bzw. Automatisierungstechnik in neuen Bereichen fordert die Entwicklung aufgabenspezifischer Robotermechanismen, um Aufgaben mit bestmöglichen Eigenschaften (z. B. kleiner Bauraum, geringes Gewicht, hohe Genauigkeit, hohe Beschleunigung/Geschwindigkeit, geringer Energiebedarf) durchführen zu können. Beispielanwendungen finden sich, neben der industriellen Robotik (insbesondere bei kleinen und mittelständischen Unternehmen und im Sondermaschinenbau), in der Medizintechnik, der Alten-/Krankenpflege, der Service- und der Weltraumrobotik.
Die oben aufgeführten Anforderungen werden von etablierten Roboterstrukturen häufig nicht erfüllt oder eine geforderte Bewegung ist insgesamt nicht möglich, da sie auf ein breites Anwendungsspektrum und daher häufig überdimensioniert und als Kompromisslösung ausgelegt sind.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erforschung von Methoden, mit denen Roboter mit aufgabenspezifischen Eigenschaften durch Synthese sämtlicher aufgabengeeigneter Strukturen und anschließender kombinierter Optimierung der kinematischen Parameter optimal ausgelegt und dimensioniert werden können. In diesem Zusammenhang erfolgt weiterführend sowohl eine Berücksichtigung der Roboterdynamik als auch eine Bewertung der Sensitivität der generierten Lösungen. Das Projekt behandelt in erster Linie nicht-redundante serielle und parallele Kinematiken.

In der ersten Projektphase werden zunächst die Ergebnisse der Struktursynthese serieller Roboter aus einem vorherigen Projekt auf die Synthese paralleler Mechanismen angewendet. Die Methode zur automatischen Erzeugung von parallelkinematischen Mechanismen beinhaltet eine Reduzierung der Lösungsmenge um kinematisch identische Strukturen, die sich nur in der Beschreibung unterscheiden ("Isomorphismen").

 Anschließend wird die Dimensionierung sämtlicher aufgabengeeigneter serieller und paralleler  Roboterstrukturen aus der Struktursynthese einer Optimierung unterzogen ("Maßsynthese").
Basis ist eine automatische Modellierung (Kinematik und Dynamik) der Roboterstrukturen in Abhängigkeit geeigneter Optimierungsparameter. Darauf aufbauend lassen sich sowohl kinematische als auch dynamische Leistungsmerkmale berechnen und geeignete (aufgabenspezifische) Gütefunktionen (ggf. in Kombination mit nichtlinearen Nebenbedingungen) als Grundlage für die Optimierung ableiten.

Ergebnis dieser gemeinsamen Struktur- und Maßsynthese sind für die geforderte Aufgabe optimal dimensionierte Roboter unterschiedlicher Struktur, aus denen der bestgeeignetste ausgewählt werden kann. Damit ist die Synthese neuer, bisher unbekannter Robotertypen möglich. Außerdem können bekannte Roboterstrukturen optimal dimensioniert werden oder es wird eine Entscheidungshilfe zur Auswahl verfügbarer Roboter gegeben.

Nach erfolgreicher Optimierung stehen sowohl ein individueller Mechanismus als auch die zugehörigen Modellgleichungen in recheneffizienter Minimalform zur Einbindung in bestehende Steuerungs-/Regelungsarchitekturen zur Verfügung. Spezielles Expertenwissen auf dem Gebiet der Mehrkörpersysteme ist hierfür nicht erforderlich.

In einem zweiten Projektzeitraum (2021-2022) werden insbesondere Roboter in Aufgaben mit fünf von sechs möglichen kartesischen Freiheitsgraden untersucht. Die Redundanz des sechsten Freiheitsgrades ist mathematisch besonders anspruchsvoll und entspricht einer Drehung um die Längsachse des vom Roboter benutzten Werkzeuges am Endeffektor. Sie tritt besonders bei Bearbeitung wie Fräsen, Bohren oder Schweißen auf. Berücksichtigung der Redundanz bereits in der Synthese ermöglicht die Auswahl von Roboterstrukturen, die diese Redundanz bestmöglich ausnutzen und damit bspw. besonders energieeffizient sein können.