Leistungssteigerung von Parallelrobotern mittels parametervariabler Strukturen basierend auf kinematischer Redundanz

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, den Bewegungsraum von Parallelkinematiken durch kinematische Redundanz zu vergrößern und gleichzeitig die Genauigkeit, Steifigkeit und Dynamik zu steigern. Neben geeigneten und aussagekräftigen Analyse- und Bewertungsmethodiken, sollen Verfahren zur optimalen Steuerung und Regelung parametervariabler Mechanismen entwickelt und praktisch angewendet werden.

Beschreibung

Konventionelle Roboter besitzen eine serielle kinematische Struktur. Als Folge ist jeder Antrieb gezwungen, neben dem Handlungsobjekt selbst, zusätzlich sämtliche nachfolgenden Glieder und Gelenke zu bewegen. Mit steigender Anforderung an Dynamik und Steifigkeit stoßen derartige Maschinen deshalb schnell an ihre Leistungsgrenze. Einen Ausweg bieten Parallelstrukturen, die sich durch geschlossene kinematische Ketten auszeichnen. Neben einer Verringerung der bewegten Massen aufgrund gestellnaher bzw. gestellfester Aktoren und der daraus resultierenden Dynamikverbesserung zeichnen sich derartige Roboter unter anderem durch eine höhere Genauigkeit aus, da sich Winkel- und geometrische Fehler nicht addieren. Allerdings besitzen parallele im Vergleich zu seriellen Strukturen auch einige Nachteile, wie beispielsweise einen geringen Arbeitsraum bezogen auf das Bauvolumen oder die Gefahr des Auftretens von Kraftsingularitäten, die den nutzbaren Arbeitsraum weiter verkleinern. Eine Möglichkeit diese Nachteile teilweise bzw. vollständig zu kompensieren, ist der Einsatz redundanter Antriebe bzw. redundanter kinematischer Ketten.

Der Verlauf von Singularitäten und die Verteilung von Leistungsmerkmalen, wie Genauigkeit, Steifigkeit und Dynamik, sind stark von der Geometrie eines Mechanismus abhängig. Durch die Montage eines ursprünglich gestellfesten Basisgelenkes auf einen Linearantrieb, d.h. durch Ergänzung angetriebener Gelenke in einer oder mehrerer kinematischer Ketten (kinematische Redundanz), können ursprünglich konstante geometrische Parameter, wie die Basisgelenkposition, variiert werden. Folglich lassen sich Eigenschaften und Leistungsmerkmale zur Laufzeit optimieren.

Diese Parametervariabilität bietet die Möglichkeit, einen Mechanismus flexibel für verschiedene Aufgaben einzusetzen und seine positiven Eigenschaften homogen über den Arbeitsraum zu verteilen. Gleichzeitig können auf diese Weise singuläre Stellungen im Arbeitsraum vermieden und damit ein Hauptproblem paralleler Mechanismen gelöst werden.

Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist, den Bewegungsraum von Parallelkinematiken durch kinematische Redundanz zu vergrößern und gleichzeitig die Genauigkeit, Steifigkeit und Dynamik zu steigern. Neben geeigneten und aussagekräftigen Analyse- und Bewertungsmethodiken, sollen Verfahren zur optimalen Steuerung und Regelung parametervariabler Mechanismen entwickelt und praktisch angewendet werden.

Weiterführende Informationen bezüglich der Forschungsinhalte können dem aktuellen Projektposter entnommen werden:

• Projektposter "kinematisch redundante Parallelroboter"

Videos

Simulationen/Animationen

Grundlagen (am Beispiel einer planaren 3RRR Parallelkinematik):

• Arbeitsraum in Abhängigkeit der Endeffektor-Orientierung
• Kraftsingularitäten in Abhängigkeit der Endeffektor-Orientierung
• Positionierfehler (translatorisch) in Abhängigkeit der Endeffektor-Orientierung
• Arbeitsraum in Abhängigkeit der Linearantriebsposition
• Kraftsingularitäten in Abhängigkeit der Linearantriebsposition
• Positionierfehler (translatorisch) in Abhängigkeit der Linearantriebsposition

Nutzung redundanter Antriebe (Rekonfigurationsstrategien):

• vollparalleler 3RRR-Mechanismus - Singularitäten während Bewegung
• vollparalleler 3RRR-Mechanismus - Positionierfehler während Bewegung
• einmalige Optimierung vor Endeffektor-Bewegung (Singularitätsverläufe)
• einmalige Optimierung vor Endeffektor-Bewegung (Positionierfehler)
• diskrete Optimierung während Endeffektor-Bewegung (Singularitätsverläufe)
• diskrete Optimierung während Endeffektor-Bewegung (Positionierfehler)
• kontinuierliche Optimierung während Endeffektor-Bewegung (Singularitätsverläufe)
• <link fileadmin institut videos triple_rect_acc_cont_vd_comp.avi _blank optimierung während endeffektor-bewegung>kontinuierliche Optimierung während Endeffektor-Bewegung (Positionierfehler)
• <link fileadmin institut videos triple_rect_3_sing_discrete_vd_comp.avi _blank in abhängigkeit der>diskrete Optimierung für drei redundante Linearantriebe (Singularitätsverläufe)
• <link fileadmin institut videos triple_rect_3_acc_discrete_vd_comp.avi _blank in abhängigkeit der>diskrete Optimierung für drei redundante Linearantriebe (Positionierfehler)

Realer Versuchsstand (kinematisch redundanter 3(P)RRR Parallelroboter)

Nutzung des redundanten Freiheitsgrades (Grundlagen und Beispiele):

• <link fileadmin institut videos nullraumbewegung_vor_kalibrierung.avi>Rekonfiguration mit "konstanter" Endeffektorlage (Nullraumbewegung)
• <link fileadmin institut videos rec_single_rec.avi _blank optimierung vor>einmalige Optimierung vor Endeffektor-Bewegung
• <link fileadmin institut videos rec_disc_rec.avi _blank optimierung während>diskrete Optimierung während Endeffektor-Bewegung
• <link fileadmin institut videos rec_cont_rec.avi _blank optimierung während>kontinuierliche Optimierung während Endeffektor-Bewegung

Optimale Anregungstrajektorien zur Bestimmung dynamischer Modellparameter
(beginnend mit halber Geschwindigkeit):

• <link fileadmin institut videos dyn_calibration_3_p_rrr_20100903.avi>harmonische Anregungstrajektorie (Fourierreihe) 4.Ordnung
• <link fileadmin institut videos dyn_calibration__5__3_p_rrr_20100906.avi>harmonische Anregungstrajektorie (Fourierreihe) 5.Ordnung

Beispieltrajektorie(n) zur kinematischen Kalibrierung mittels interner passiver Sensoren:

• <link fileadmin institut videos kin_calibration_3_p_rrr_20100831.avi _blank parameteranregender>Anfahren parameteranregender Konfigurationen

Sonstige Demonstrationen:

• <link fileadmin institut videos _blank parallelroboter mit greifer nutzung redundanter>3(P)RRR Parallelroboter - Pick&Place mit Greifer (keine Nutzung redundanter FHG)
• <link fileadmin institut videos _blank parallelroboter mit sauger nutzung redundanter>3(P)RRR Parallelroboter - Pick&Place mit Sauger (keine Nutzung redundanter FHG)