Automatic generation of task-specific serial mechanisms using combined structural and dimensional synthesis

Obwohl die Vielfalt der in der Industrie verwendeten Roboterkinematiken in den letzten Jahren gestiegen ist, bieten die Roboterhersteller doch nur eine begrenzte Anzahl an unterschiedlichen kinematischen Strukturen an. Aufgrund dieser geringen Anzahl an Strukturen sind viele Roboter, vor allem in Industrieanwendungen, für ihre Aufgabe überdimensioniert sowie überaktuiert und daher nicht optimal. Bei der Entwicklung neuer Robotermanipulatoren sind sowohl die Struktur- als auch die Maßsynthese zu berücksichtigen. Während die Struktursynthese die Bestimmung der Strukturen mit den gewünschten Freiheitsgraden am Endeffektor ermöglicht, werden die Robotersegmente in der Maßsynthese optimiert. Beide Verfahren werden heutzutage jedoch getrennt durchgeführt. Das führt dazu, dass bei der Maßsynthese in der Regel nur eine einzige Struktur optimiert wird, ohne die vielzähligen möglichen kinematischen Alternativen zu berücksichtigen. Aus diesem Grund ist der aus diesem Prozess ermittelte Roboter nicht notwendigerweise für seine Aufgabe optimal. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode zur Synthese aufgabenspezifischer serieller Kinematiken unter Berücksichtigung sämtlicher geeigneter Strukturen. Durch die Ermittlung des Rangs der Jacobi Matrix und der Endeffektorgeschwindigkeit jeder, im Sinne der Spezifikation, möglichen Kombination der Denavit Parameter werden im ersten Schritt alle aufgabengeeigneten Strukturen sowie ihre Optimierungsparameter bestimmt. Der Algorithmus benutzt anschließend die Abhängigkeit zwischen den gewünschten Endeffektorfreiheitsgraden und den geometrischen Parametern der Strukturen zur Erkennung möglicher Isomorphismen. Infolgedessen wird die Anzahl an Strukturen und Optimierungsparameter drastisch verringert, was die Optimierung sämtlicher aufgabengeeigneten Mechanismen ermöglicht. Um sowohl kinematische als auch dynamische Leistungsmerkmale berechnen zu können, werden die Kinematik und Dynamik der generierten Strukturen modelliert und ausführbarer Code für jede einzelne Struktur automatisch erzeugt. Dank diesem ist der Rechenaufwand der Dynamik im Vergleich zu üblichen numerischen Verfahren geringer. Die zu der gewünschten Aufgabe passenden Leistungsmerkmale bilden anschließend die Kostenfunktion und die Randbedingungen der Maßsynthese. Der aufgabenoptimale Manipulator ergibt sich schließlich aus der geometrischen Optimierung sämtlicher geeigneter Strukturen. Mit dem dargestellten Ansatz können Manipulatoren mit bis zu 6 Freiheitsgraden optimiert werden. Da der Großteil der Methode automatisch durchgeführt wird, ermöglicht dies eine erhebliche Reduktion des Entwicklungsaufwandes zur Auslegung neuer Roboter.