Verbesserte Modellierung der Kinematik und Dynamik von Leichtbaurobotern

Hintergrund

Seilroboter sind eine spezielle Bauform der bekannten parallelen Kinematiken. Besonders daran ist, dass die starren Antriebsglieder (in der Regel Hubzylinder) durch flexible Seile ersetzt wurden. Dies bringt auf der einen Seite Dynamiksteigerung, Verbesserung des Verhältnisses von Nutzlast zu Eigengewicht und eine erhebliche Vergrößerung des Arbeitsraumes mit sich, auf der anderen Seite ergeben sich einige Einschränkungen. So wird zum Beispiel die Forderung an immer positive Seilspannungen eingeführt da Seile nur Zug- aber keine Druckkräfte erzeugen können. Neben dieser unilateralen Zwangsbedingung ergeben sich auch, je nach Roboterkonfiguration, unterschiedliche Redundanzen. So gibt es zum Beispiel Seilroboter wie in dem Bild oben rechts mit mehr Seilen als Freiheitsgraden, bei denen die Seile gegeneinander verspannt sind (redundantely restrained cable robots). Desweiteren sind die verwendeten Seile alles andere als starre Körper sondern hoch flexible Elemente. Dadurch erweist sich die Berechnung der Statik und Dynamik von Seilrobotern als schwieriger als die ihrer starren Pendants. Nicht nur führt das nicht-lineare Dehnungsverhalten der Seile zu komplexen Modellen, auch Effekte mit weitaus geringerer Dynamik, wie zum Beispiel Kriechen bzw. Dehnung und andere Alterungseffekte, führen zu Abweichungen zwischen Theorie und Praxis.



Problemstellung

Aufgrund der flexiblen Körper in Seilrobotern sind deren Statik, Kinematik und Dynamik alles andere als einfach und direkt bestimmbar. Die Implikationen von Elastizität, Seilgewicht, Durchhang und Kriechen beeinflussen alle Bereiche der Seilroboter - Kinematik, Steifigkeit, Schwingung und Regelung. Das Hauptziel dieses Projektes solle es dabei sein, wesentliche Effekte, die zur Abweichung von Theorie und Praxis führen, zu identifizieren und charakterisieren.

Darüber hinaus wollen wir ein besseres Verständnis des Seilverhaltens unter hohen dynamischen Bewegungen erforschen. Dies bedeutet nicht nur ein Simulationsmodell herzuleiten, welches sowohl echtzeitfähig ist als auch die Schwingungen der Seile möglichst genau abbilden kann. Dieses Modell soll auch die Interaktion zwischen Seil und Umgebung simulieren können - vor allem im Bereich der Umlenkrollen und den Winden.



Kenntnisgewinn

Dieses Projekt erlaubt bereits eine Dynamiksimulation von Seilrobotern inklusive Seilkinematik und -dynamik und Interaktion zwischen Seil und Umlenkrolle (in Bezug auf den Spannungsverlauf). Aktuelle Forschungsvorhaben konzentrieren sich auf die Integration der transversalen Schwingungsfähigkeit der Seile. Hierbei untersuchen wir die Anwendbarkeit der (nicht-)linearen Balkentheorie, zwei-dimensionalen Wellengleichung und des Ansatzes der modified rigid finite element method. Bisherige Ergebnisse erweisen sich als erfolgsversprechend - vor allem in Bezug auf die rigid finite element method.
Die Integration in ein vollständiges Simulationsmodell eines sechs-dimensionalen Seilroboters mit 8 Seilen sowie die experimentelle Validierung stehen noch aus.

Zu diesem Projekt relevante Veröffentlichungen finden Sie hier.



Förderung

Das Projekt wird im Rahmen des Exzellenzclusters SimTech gefördert.