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Erweiterung der kinematischen Modellierung für parallele Seilroboter mit endloser Rotationsachse

Antragsteller Professor Dr.-Ing. Alexander Verl, seit 2/2019
Fachliche Zuordnung Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
Förderung Förderung von 2017 bis 2021
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 358142701
 
Erstellungsjahr 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Seilgetriebene parallele Roboter (kurz: Seilroboter) sind spezielle Parallelroboter, die Seile anstatt Schubgelenke für die Bewegung der Plattform verwenden. Durch das koordinierte Längen und Kürzen der Seile kann hierbei die Plattform innerhalb des Rahmens positioniert und orientiert werden. Aufgrund der geringen Eigenmasse der Seile und Plattform können Seilroboter als Leichtbauform der Gough-Stewart-Plattform angesehen werden. Hohe Plattformgeschwindigkeiten von bis zu 30 m/s und Beschleunigungen bis zu 400 m/s² sind aufgrund der geringen bewegten Masse möglich. Zusätzlich kann der Arbeitsraum eines Seilroboters durch die geringe Anzahl und das geringe Gewicht der verwendeten Komponenten flexibel gestaltet werden. Durch potentielle Seil-Seil-Kollisionen ist der Orientierungsarbeitsraum bei einem Seilroboter jedoch eingeschränkt. Dagegen sind endlos rotierende Achsen eine Standardfunktion bei kommerziellen, seriellen Robotern. Wird jedoch zusätzlich eine Reichweite von >15 m gefordert, scheiden serielle Roboterkinematiken aus und Seilroboter können ihre systembedingten Vorteile geltend machen. Eine endlose Rotation, die ausschließlich durch die Aktuierung der Seile erzeugt wird, bietet eine Möglichkeit zusätzliche Aktorik auf der Plattform und damit den Aufwand, die Fehleranfälligkeit und das zusätzliche Gewicht eines Medienspeichers oder einer externen Medienversorgung zu vermeiden. Die endlose Rotation kann somit ohne Verringerung der Dynamikgrenzen in allen Freiheitsgraden durchgeführt werden. Zur Erzeugung der endlosen Rotation sind seriell gekoppelte Teilplattformen, innerhalb einer parallelen Seilroboterstruktur notwendig, die sich relativ zueinander bewegen können. Im Projekt wurden daher Methoden für die Modellierung und Steuerung von Seilrobotern mit dieser hybriden Struktur entwickelt und die Ergebnisse abschließend an dem institutseigenen Versuchsstand COPacabana validiert. Dazu wurde zunächst das generische kinematische Modelle des hybriden Seilroboters als Mehrkörpersystem hergeleitet, um daraufhin die Arbeitsraumhülle (Wrench-Feasible-Workspace) mit den wirkenden Seilkräften zu berechnen. Bekannte Berechnungsmethoden aus der Seilrobotik wurden hinsichtlich der zusätzlichen Reaktionskräfte und Freiheitsgrade, die durch die Verkettung der Plattformen entstehen, erweitert. Neben der Seilkraft- und Arbeitsraumberechnung wurden die posenabhängigen Seil-Seil Kollisionen betrachtet. Das Ergebnis der theoretischen Untersuchung bestätigt eine starke Abhängigkeit des Arbeitsraumvolumens von der Anzahl antreibender Seile und Plattformen. Zur experimentellen Validierung wurde daher ein Seilroboter mit 12 Seilen und 3 gekoppelten Plattformen aufgebaut und in die bestehende Steuerungsarchitektur integriert. Die während einer vollständigen Umdrehung des Endeffektors gemessenen Seilkräfte weisen dabei ähnliche Verläufe wie die berechneten Seilkräfte auf.

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