Leistungssteigerung von Parallelrobotern mittels parametervariabler Strukturen basierend auf kinematischer Redundanz

Team:	Dipl.-Ing. Jens Kotlarski
Jahr:	2010
Förderung:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Ist abgeschlossen:	ja

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):

Nutzung redundanter Antriebe (Rekonfigurationsstrategien):

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

Nutzung des redundanten Freiheitsgrades (Grundlagen und Beispiele):

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

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

Anfahren parameteranregender Konfigurationen

Sonstige Demonstrationen:

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