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Projekt
Co-Design- Assistenten für mechatronische Systeme: von Simulation zu Realität
Antragstellerinnen / Antragsteller
Professorin Dr. Kathrin Flaßkamp; Professor Dr. C. David Remy
Fachliche Zuordnung
Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
Mechanik
Mechanik
Förderung
Förderung seit 2025
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564445282
Unter dem Co-Design mechatronischer Systeme versteht man die simultane und integrierte Entwicklung physischer Komponenten (z. B. Aktuatoren und mechanischer Strukturen) und Steuerungsalgorithmen. Dieser Ansatz berücksichtigt die enge Wechselwirkung zwischen Hardware und Software, die in mechatronischen Systemen untrennbar miteinander verbunden sind. So muss bei der Entwicklung eines Roboterbeins die Gestaltung der Gelenke und Aktuatoren eng mit der Bewegungsplanung und den Steuerungsalgorithmen abgestimmt werden, um eine maximale Laufgeschwindigkeit und Energieeffizienz zu erzielen. Durch die ganzheitliche Betrachtung von Hardware und Software ermöglicht Co-Design die Entwicklung effizienter, anpassungsfähiger Systeme, die komplexe Aufgaben bewältigen können. Die modellbasierte Optimierung bietet dafür einen vielversprechenden Ansatz: Zielfunktionen erfassen Leistungskennzahlen wie Effizienz oder Schnelligkeit, während Nebenbedingungen gewünschte Aufgaben, physikalische Grenzen und Stabilitätsanforderungen abbilden. Bei der Co-Design-Optimierung eines Roboterbeins können damit gleichzeitig die Hardwarespezifikationen (z. B. Massenverteilung, Gelenksteifigkeiten) als auch das gewünschte dynamische Verhalten (z. B. durch Steuerung und Regelung) optimiert werden. Dennoch bestehen wesentliche Unterschiede zwischen diesen Variablentypen. Während Änderungen am Hardware-Design einen hohen Aufwand bedeuten, ist das Anpassen einer Regelung, auch für unterschiedliche Bewegungsmuster, im Betrieb weiterhin möglich. Dabei sind experimentelle Daten zu Hardwarevariationen oft begrenzt, während Regelungsvarianten im Betrieb breiter untersucht werden können. Diese Diskrepanz zwischen Simulation und Realität macht eine besondere Art von Robustheit erforderlich: Das System muss so gestaltet sein, dass Abweichungen zwischen Modell und realer Hardware allein durch Anpassung der Optimalsteuerungsaufgabe und Regelung adressiert wird – idealerweise, ohne die Leistungskennzahlen bei den gewünschten Aufgaben zu verschlechtern. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines Assistenten für das Co-Design mechatronischer Systeme, welcher diese Überlegungen umsetzt. Dieser Assistent nutzt numerische Optimierung basierend auf Ersatzmodellen, die speziell für diesen Zweck entwickelt wurden und eine Kombination aus physikalischen Prinzipien und datenbasierter Modellierung verwenden. Moderne Ansätze des maschinellen Lernens vereinfachen das Optimierungsproblem, etwa durch Konvexifizierung oder die Abbildung in höherdimensionale Räume. Gleichzeitig liefern die Ersatzmodelle Gradienten- und Sensitivitätsinformationen, um eine effiziente Optimierung und Steuerung zu ermöglichen. Experimentelle Daten aus realen Systemen werden im Rahmen eines iterativen Designprozesses integriert. Der Schwerpunkt liegt auf dem Transfer der Optimierungsergebnisse von der Simulation in die physikalische Realität. Die Validierung des Ansatzes erfolgt anhand von drei exemplarischen robotischen Systemen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
