Bei diesem Forschungsschwerpunkt handelt es sich um eine Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Regelungssysteme (LRS) und dem Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik (MEGT) von Prof. Dr.-Ing. B. Sauer.

Stetig wachsende Anforderungen bezüglich der Dynamik und Genauigkeit von Robotern im industriellen Umfeld können durch serielle Roboter in zunehmendem Maße nicht mehr erfüllt werden. Neue Roboterstrukturen wie Parallel- und Hybridroboter gewinnen an Bedeu-tung und verdrängen serielle Roboter bei hochdynamischen Anwendungen. Aus diesem Grund stellt die Erforschung von parallelkinematischen Strukturen einen immer wichtiger werdenden Forschungsschwerpunkt im Bereich der Konstruktions- und Regelungstechnik dar.

Die Klasse der Parallelroboter zeichnet sich durch diverse Vorteile gegenüber seriellen Ro-botern aus. Dazu gehören u. a. eine hohe Struktursteifigkeit, eine geringe Maschinenmas-se und somit kleine Trägheitskräfte und hohe Verfahrgeschwindigkeiten bei geringen erfor-derlichen Antriebsleistungen. Demgegenüber stehen Nachteile wie ein schlechtes Verhältnis zwischen Arbeits- und Bauraum, hohe Anforderungen bezüglich der Steuerungshard-ware und komplexe Steuerungs- und Regelungskonzepte.

Die Demonstratoren

Zur Erforschung der parallelkinematischen Strukturen und zur Erprobung neuer Rege-lungskonzepte aus dem Bereich der nichtlinearen Regelungstechnik stehen zwei Demonstratoren zur Verfügung.


Bei der links dargestellten Parallelkinematik handelt es sich um die so genannte Spidermill. Die von der Firma MiniTec in Waldmohr gebaute klassische Scherenkinematik mit zwei Freiheitsgraden, ermöglicht eine spanende Bearbeitung von weichen Werkstücken innerhalb einer Ebene. Ihre Erweiterung um eine serielle Achse (hybrid Roboter) gestattet es ferner räumliche Strukturen zu erzeugen (2½ D-Ansatz) und somit die Kinematik im Be-reich des „Rapid Prototypings“ mittelgroßer Objekte einzusetzen.

Im Bild rechts ist der durch den MEGT konzipierte und realisierte Tripod dargestellt. Es handelt sich um eine Struktur mit drei Freiheitsgraden, wovon zwei rotatorisch (um x- und y-Achse) und einer translatorisch (entlang z-Achse) sind. Im Gegensatz zur Spidermill sind somit ohne weitere Erweiterungsmaßnahmen räumliche Bearbeitungen innerhalb des Arbeitsraums möglich.

Im weiteren Verlauf des Projekts sind die Anschaffungen weiterer Demonstratoren geplant.

Das Ziel

Um eine gezielte Bewegung des TCP (Tool Center Points, Werkzeugspitze) entlang einer geplanten Trajektorie zu ermöglichen ist es im Vorfeld erforderlich die inverse Kinematik des Parallelroboters zu ermitteln. Diese stellt den Bezug zwischen der gewünschten Lage des Endeffektors (Werkzeug) und den dafür erforderlichen Antriebsstellungen (Gelenkwinkel) her. In einem weiteren Schritt wird für die Regelung der Roboterbewegung die inverse Dynamik benötigt. Mit ihrer Hilfe können die für einen vorgegebenen Bewegungsablauf er-forderlichen Stellgrößen (Kräfte bzw. Momente der aktuierten Gelenke) ermittelt werden.

Bei diesen „Vorarbeiten“ stellen die für Parallelroboter erforderlichen komplexen Modelle und die starke Nichtlinearität von Reibungs- und Temperatureinflüssen große Herausforderungen an die Modellbildung und Identifikation dar. Die Verarbeitung der resultierenden Gleichungssysteme ist ferner nur noch unter der Verwendung von CAS (Computer Algebra Systemen) effektiv möglich. Die Umsetzung der geplanten Trajektorien des TCP und die Realisierung der modellbasierten Regelungskonzepte macht ferner eine echtzeitfähige Realisierung der Algorithmen erforderlich.

Die Regelungskonzepte

Im Rahmen des Forschungsschwerpunktes liegt das Augenmerk auf der Erforschung von nichtlinearen Regelungskonzepten. Diese sollen nach erfolgter Kinematik und Dynamikbe-schreibung sowie der damit verbundenen Modellbildung und Identifikation mit Hilfe der Demonstratoren und einer CO-Simulationsumgebung (ADAMS – Matlab/Simulink) verifiziert werden.

Die geplanten Regelungskonzepte sind im Bereich der Differentialalgebra bzw. Differential-geometrie anzusiedeln. Schlagworte in diesem Zusammenhang stellen die flachheitsba-sierte Regelung bzw. Steuerung dar, die besonders geeignet erscheinen um parallelkine-matische Strukturen zu steuern bzw. zu regeln. Zur Verifikation und Beurteilung der Leistungsfähigkeit dieser Algorithmen sind jedoch auch Ansätze aus dem Bereich der klassischen nichtlinearen und linearen Regelungstechnik angedacht.

Weitere Informationen:	Dipl.-Ing. Peter Müller (12/328)