Formalisierte Auslegungsmethoden und komponentenbezogene Grundlagen zur Entwicklung faltungsbasierter Roboter

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Burkhard Corves; Professor Dr. Tim C. Lüth
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439938364

Bedingt durch den Kostendruck, die Wettbewerbssituation auf den heute globalen Märkten und neuen Produktentwicklungen mit steigenden Anforderungen zielen aktuelle Bestrebungen der Bewegungstechnik und speziell der Robotik auf immer leistungsstärkere Manipulatoren und Roboter ab. Die Antwort der produzierenden Unternehmen ist eine Erhöhung der Produktivität. Jedoch verschärfen die sich daraus ergebenden stets kürzeren Taktzeiten und effizienteren Prozessen die Forderungen zusätzlich. Letztlich ergeben sich dadurch Anforderungen an Bauweisen und Konstruktionen, die durch bisherige Roboterhardware mit klassischen seriellen oder parallelkinematischen Gelenkstrukturen nur bedingt erfüllt werden können. So werden zur Realisierung präziser serieller Roboter in der Produktionstechnik massive Strukturteile erforderlich, was größere Trägheitswirkungen und damit verbunden sinkende Arbeitsgeschwindigkeiten zur Folge hat. Jedoch besitzen steifere und schnellere parallele Roboter wie Deltakinematiken oder Hexapoden einen im Vergleich zur Baugröße kleinen Arbeitsraum. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die systematische Entwicklung sowie die Erarbeitung komponentenbezogener Grundlagen einer neuartigen Klasse von Robotern, welche auf technisch nutzbaren Faltungen basieren. Dazu werden technische Faltungen durch Segmente mit definierter Stärke (Plattenstrukturen) und unter Berücksichtigung von Leichtbauweisen (Sandwichplatten, etc.) realisiert. Diese Segmente bringen den Vorteil sehr hoher axialer Flächenträgheitsmomente mit sich, wodurch auf der einen Seite eine hohe Steifigkeit und auf der anderen Seite der Roboter automatisch als Leichtbaukonstruktion realisiert wird. Zusätzlich soll die systemimmanente Eigenschaft der statischen Überbestimmtheit von Faltungen dadurch genutzt werden, dass gegenüber bisher verwendeten klassischen, statisch bestimmten Gelenkstrukturen eine zusätzliche Erhöhung der Steifigkeit zu erwarten ist. Durch die resultierende höhere Genauigkeit des faltungsbasierten Roboters können so bspw. Hochlastanwendungen realisiert werden, bei denen bisherige Parallelkinematiken an ihre Grenze stoßen. Infolge dessen, dass faltbare Systeme stets im Zusammenhang mit einer Wandelbarkeit zwischen kompakten gefalteten und großen entfalteten Konfigurationen betrachtet werden, können faltungsbasierte Robotersysteme gegenüber bisherigen Systemen zudem auch über größere Arbeitsräume bei gleichzeitig kompakterer Bauweise verfügen. Eine derartige Eigenschaft ist etwa für kompakte medizintechnische Werkzeuge mit Einsatz in der minimalinvasiven Chirurgie von Interesse.Eine Realisierung der genannten Vorteile (höhere Steifigkeit und Genauigkeit, größerer Arbeitsraum) sowie deren aufgabenspezifischer Einsatz in technischen Bewegungsaufgaben erfordert die Erarbeitung bislang nicht verfügbarer formalisierter Auslegungsmethoden und komponentenbezogener Grundlagen für eine faltungsbasierte Robotik. Dies soll im Rahmen dieses Projekts verwirklicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen