Kombinierte Struktur- und Maßsynthese aufgabenredundanter Roboterkinematiken

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Svenja Spindeldreier, seit 5/2021
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 341489206

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In dem abgeschlossenen Projekt „kombinierte Struktur- und Maßsynthese aufgabenredundanter Roboterkinematiken“ wurde theoretisch und simulativ der Entwurfsprozess von parallelkinematischen Maschinen untersucht. Im Fall von Aufgabenredundanz verfügt ein Roboter über mehr bewegliche Freiheitsgrade, als für eine Aufgabe notwendig sind, was beispielsweise im Fall von Fräs- oder Bohrprozessen durch das rotierende Werkzeug der Fall ist. Diese Freiheitsgrade werden in dem vorgeschlagenen, automatisiert durchgeführten Entwurfsprozess für Optimierungen genutzt. Es konnte gezeigt werden, dass dadurch eine Anpassung der Dimensionierung der Roboterstruktur stattfinden kann, sodass dieser Freiheitsgrad besser genutzt werden kann als im Standard-Fall ohne Optimierung. Daraus entstehende Dimensionierungen können hinsichtlich eines Zielkriteriums wie der maximalen Antriebskräfte (zur Antriebsauswahl) oder des Energieverbrauchs besser sein als nicht optimal dimensionierte Strukturen. In späteren Anwendungen kann somit bspw. über die Lebensdauer des Roboters Energie gespart werden, vorausgesetzt die im Entwurfsprozess geschaffenen Potentiale der Energieeinsparung werden auch in der Bahnplanung im Betrieb genutzt. Die erforschten Methoden sind geeignet, den Entwurfsprozess parallelkinematischer Maschinen zu automatisieren und so in kurzer Zeit bessere und vollständigere Realisierungsmöglichkeiten eines neuen Roboters für eine zu lösende Aufgabe zu finden, als bei manuellem oder nur teil-automatisiertem Entwurfsprozess. Die im Projekt entstandenen Software-Werkzeuge wurden unter freier Lizenz publiziert und können von Forschungsinstituten sowie Unternehmen aus Sondermaschinenbau und Automatisierungstechnik genutzt und weiterentwickelt werden. Geeignete Anwendungsfelder sind industrielle Bearbeitungs- und Handhabungsaufgaben aber auch Nischenthemen, für die es keine passenden kommerziell verfügbaren Roboter gibt. Zusätzliche Erkenntnisse des Projekts betreffen die optimale Bahnplanung sowohl mit lokalen Methoden wie der Gradientenprojektion auf Ebene der Beschleunigung, als auch mit globalen Methoden wie der Dynamischen Programmierung. Die Verfahren sind sowohl für die Optimierung im Entwurfsprozess, als auch im Betrieb einsetzbar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A Maple Toolchain for Rigid Body Dynamics of Serial, Hybrid and Parallel Robots. Communications in Computer and Information Science, 350-364. Springer International Publishing.
  Schappler, Moritz; Job, Tim-David & Ortmaier, Tobias
  
• Singularity Avoidance of Task-redundant Robots in Pointing Tasks: On Nullspace Projection and Cardan Angles as Orientation Coordinates. Proceedings of the 18th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics, 338-349. SCITEPRESS - Science and Technology Publications.
  Schappler, Moritz & Ortmaier, Tobias
  
• Combined Structural and Dimensional Synthesis of a Parallel Robot for Cryogenic Handling Tasks. Annals of Scientific Society for Assembly, Handling and Industrial Robotics 2021, 65-77. Springer International Publishing.
  Schappler, Moritz; Jahn, Philipp; Raatz, Annika & Ortmaier, Tobias
  
• “Geometric Model for Serial-Chain Robot Inverse Kinematics in the Case of Two Translational DoF with Spatial Rotation and Task Redundancy”. In: International Symposium on Advances in Robot Kinematics. Springer. 2022.
  M. Schappler, T. Blum & T.-D. Job
  
• “Inverse Kinematics for Task Redundancy of Symmetric 3T1R Parallel Manipulators using Tait-Bryan-Angle Kinematic Constraints”. In: International Symposium on Advances in Robot Kinematics. Springer. 2022.
  M. Schappler
  
• “Structural and Dimensional Synthesis of Overconstraint Symmetric 3T2R Parallel Robots using Tait-Bryan-Angle Kinematic Constraints”. In: International Symposium on Advances in Robot Kinematics. Springer. 2022.
  M. Schappler
  
• Pose Optimization of Task-Redundant Robots in Second-Order Rest-to-Rest Motion with Cascaded Dynamic Programming and Nullspace Projection. Lecture Notes in Electrical Engineering, 106-131. Springer International Publishing.
  Schappler, Moritz
  
• Task-Specific Synthesis and Design of a mobile 6-DoF Hexa Parallel Robot for Weed Control”. In: Proceedings of the 2nd IFToMM for Sustainable Development Goals Workshop.
  T. Sterneck, J. Fettin & M. Schappler