Combined structural and dimensional synthesis of task-specific parallel-robot manipulators: functional redundancy and design optimization

verfasst von

Moritz Schappler

betreut von

Tobias Ortmaier

Abstract

Parallelkinematische Maschinen bzw. Roboter konnten sich bisher nur in wenigen Anwendungen etablieren, in denen sie durch große Traglast, Steifigkeit oder Dynamik bei ihrem prinzipbedingt beschränktem Arbeitsraum-zu-Bauraum-Verhältnis gegenüber Seriellkinematiken im Vorteil sind. Es gibt jedoch noch einige Anwendungen, die bisher unzureichend automatisiert wurden und in denen Parallelkinematiken vorteilhaft sein könnten, wie bspw. die Landwirtschaft. Da ihre Leistung wesentlich stärker von der komplexen Dimensionierung abhängt, ist ein automatisiertes Auslegungswerkzeug notwendig, um Parallelkinematiken für Anwendungen optimal anzupassen. Der genutzte Ansatz der kombinierten Struktur- und Maßsynthese betrachtet dabei alle prinzipiell möglichen kinematischen Strukturen und führt für jede eine eigene Dimensionierung durch, um die beste aufgabenangepasste Struktur zu erhalten. Die Struktursynthese wurde mittels Permutation der diskreten Strukturparameter basierend auf einer Datenbank seriellkinematischer Beinketten realisiert. Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich der Ansatz durch die explizite Berücksichtigung der geometrischen Anordnung von Koppelgelenken aus. Die Maßsynthese erfolgte durch die Erweiterung einer mehrkriteriellen Partikel-Schwarm-Optimierung mit hierarchischen Nebenbedingungen. Die Betrachtung einer mehrstufigen Optimierung für die von der Maßsynthese abhängige Entwurfsoptimierung von Komponenten sowie die Redundanzauflösung für verbreitete Aufgaben mit Rotationssymmetrie wie Fräsen erweitern den Stand der Technik. Zunächst wurde eine kinematische Modellierung für die Aufgabenredundanz entwickelt, die einen hinsichtlich des redundanten Endeffektorfreiheitsgrades optimalen Zusammenbau der Parallelkinematik berechnet. Für die optimale Bewegung entlang einer Rast-zu-Rast-Trajektorie zeigte sich das entwickelte Verfahren basierend auf dynamischer Programmierung am besten geeignet für die Maßsynthese im Vergleich zu einem lokal-optimalen Gradientenprojektionsverfahren oder einer Kombination der Verfahren. In der Struktursynthese konnten die bereits umfangreichen Ergebnisse der Literatur reproduziert werden und auch einige neue Parallelkinematiken generiert werden. Die Fallstudien für verschiedene Endeffektor-Freiheitsgrade konnten die breite Anwendbarkeit der kombinierten Struktur- und Maßsynthese belegen und trotz zahlreicher Nebenbedingungen jeweils eine Vielzahl möglicher aufgabenoptimaler Strukturen präsentieren. Der Ansatz wurde nur für symmetrische Parallelkinematiken mit starren Segmenten und seriell-kinematischen Beinketten evaluiert, lässt sich aber prinzipiell auch auf andere parallelkinematische Strukturen in Kombination mit Seilzügen, Parallelogramm-Beinketten oder Antriebsredundanz erweitern.

Organisationseinheit(en)

Institut für Mechatronische Systeme

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

284

Publikationsdatum

07.05.2025

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/19028 (Zugang: Offen)