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ANT_Marktuebersicht_2023

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8 STEUERN UND REGELN

8 STEUERN UND REGELN PARALLELE SEILROBOTER FÜR INDUSTRIELLE ANWENDUNGEN STEUERUNG REKONFIGURIER- BARER SEILROBOTER Seilroboter sind Sonderbauformen paralleler Roboter und Mechanismen. Deren Steuerung erscheint auf den ersten Blick trivial. Dem ist aber nicht so, das beweist die Uni Stuttgart mit ihrem aktuellen Forschungsprojekt. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Rekonfiguration der Maschinen.. Prof. Alexander Verl, Institutsleitung; Thomas Reichenbach, Felix Trautwein, (Wissenschaftliche Mitarbeiter), Universität Stuttgart Danksagung: Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder – EXC 2120/1 – 390831618

STEUERN UND REGELN Bei konventionellen parallelen Robotern kommen starre Gelenke als Antriebselemente zum Einsatz, welche bei Seilrobotern [1] durch Seile ersetzt werden. Am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart werden Seilroboter intensiv erforscht. Neben den Eigenschaften zur Realisierung sehr großer Arbeitsräume oder hoher Nutzlasten besitzen Seilroboter eine Möglichkeit zur einfachen Rekonfiguration. Die Rekonfiguration beschreibt hier das gezielte Anpassen der Eigenschaften an eine geänderte Aufgabe durch das Hinzufügen oder Entfernen von Antriebsseilen und das Verschieben der Seilbefestigungen. Der Seilroboters Copacabana [2] wird am ISW als Versuchsstand genutzt. Er ist in einer Stahlrahmenkonstruktion aufgebaut, wobei die Windeneinheiten an den unteren Streben verschieblich befestigt sind. Die Seile werden von den Winden, über die Umlenkrollen, zu den Befestigungen auf der Roboterplattform geführt. Über die Verstellung der Seillängen erfolgt eine Steuerung der Plattformposition und -orientierung. In der Tabelle sind die wichtigsten Eckdaten des Copacabana zusammengefasst. Der gesamte Aufbau des Seilroboters besteht ausschließlich aus Komponenten und Antriebstechnik nach Industriestandard. Die Gesamtarchitektur besteht aus einer Twincat3 CNC-Steuerung von Beckhoff zur Bewegungssteuerung, einer Soft-SPS zur Koordination der angeschlossenen Hardware und einem Benutzerinterface (HMI). Über die HMI kann der Roboter gesteuert und die Bewegung der Plattform in kartesischen Koordinaten über standardisierten G-Code (ISO-6983/DIN66025) vorgebeben werden. Der Betrieb des Seilroboters am ISW ist auch auf Youtube zu sehen https://youtu.be/W3yjdwZedkE (siehe QR-Code links im Bild). STEUERUNG Bei einem Seilroboter sind die zentralen Größen für die Ableitung der kinematischen Transformationen die geometrischen Parameter. Diese sind zum einen die Koordinaten der Positionen der Umlenkrollen und zum anderen die Befestigungspunkte der Seile auf der Plattform. Die Funktion der inversen Kinematik kann ausgedrückt werden als Hierbei beschreibt r die aktuelle Plattformposition im Raum und die Matrix R die zugehörige Orientierung. Über die Funktion ϕ IK der inversen Kinematik werden die Längen der Antriebsseile l berechnet. Die direkte Kinematik wird dargestellt als Parameter/Komponente Wert/Typ Einheit Seilanzahl 8 - 16 Rahmenabmessungen 5,4 × 4 × 3,66 m 3 Plattformabmessungen 0,4 × 0,3 × 1 m 3 Nominelle Seilkraft 800 N Maximale Seilkraft 3200 N Windeneinheit Fraunhofer IPA SW-G3.1-060-01-2014-043 Getriebeübersetzung 1:5 Nm 3-Phasen Synchronmotor Bosch Rexroth MSK061C-0600 Kontinuierliches Drehmoment 8 Nm Maximales Drehmoment 32 Nm Maximale Drehzahl 6000 min -1 Hierbei wird die Position und Orientierung (Pose) durch die direkte Kinematik ϕ DK in Abhängigkeit der Seillängen ausgewertet. Bei parallelen Robotern ist die inverse Kinematik üblicherweise einfacher lösbar, da die Gleichungen entkoppelt sind und die Seillängen separat aus der Pose berechnet werden können. Deutlich komplexer ist das Problem der direkten Kinematik, die durch ein gekoppeltes nichtlineares Gleichungssystem beschrieben wird und nur in Spezialfälle geschlossen gelöst werden kann. Um diese trotzdem im Echtzeittakt von ca. 1-2 ms auszuwerten, wird bei den Seilrobotern am ISW die direkte Kinematik über einen Levenberg-Marquart-Algorithmus iterativ in Echtzeit gelöst. Die Algorithmen sind dabei als sog. Tc-Com-Objekte (Bild oben) implementiert, die im Echtzeittakt der Steuerung ausgeführt werden. Diese Echtzeit-Treiberobjekte sind in C/C++ implementiert und weißen eine zuverlässige Konvergenz und gute Robustheit auf. Zusätzlich sind sämtliche Parameter, die die Lösungsalgorithmen benötigen in CNC-internen Datenstrukturen abgelegt. Diese Architektur ermöglicht unterschiedliche Betriebsmodi, in denen der Seilroboter betrieben werden kann, die auch von herkömmlichen Werkzeugmaschinen und Industrierobotern bekannt sind: n Automatikbetrieb mit automatischer Ausführung von G-Code n Jog- und Tipbetrieb in kartesischen Koordinaten und Achskoordinaten n Joystick-Betrieb in kartesichen Koordinaten n Hybride Geschwindigkeits-Kraftregelung [3] n Integration modellbasierter Regelverfahren über Echtzeit- Treiberobjekte Aktuelle Forschungsansätze gehen in die Richtung der In-Betrieb- Rekonfiguration der Steuerung. Hierzu wird beispielsweise ein Achstausch von Antrieben über CNC-Kanäle hinweg für das Entfernen und Hinzufügen von Seilen verwendet und nach der Rekonfiguration der Geometrie in der Steuerung aktualisiert. Weitere Forschungsschwerpunkte sind die Entwicklung modellbasierter Regelverfahren zur Kompensation des Seilschlupfs und die Weiterentwicklung von Seilrobotern zum Einsatz im Bau wesen. Bilder: Uni Stuttgart ISW www.isw.uni-stuttgart.de Literaturhinweise: [1] A. Pott, Cable-Driven Parallel Robots: Theory and Application, B. Siciliano und O. Khatib, Hg. Cham: Springer, 2018. [2] F. Trautwein, T. Reichenbach, P. Tempel, A. Pott und A. Verl, „COPacabana: A Modular Cable-Driven Parallel Robot“ in IFToMM D-A-CH Konferenz, Lienz, Austria, 2020 [3] T. Reichenbach, K. Rausch, F. Trautwein, A. Pott und A. Verl, „Velocity Based Hybrid Position-Force Control of Cable Robots and Experimental Workspace Analysis“ in Mechanisms and Machine Science, Cable-Driven Parallel Robots, M. Gouttefarde, T. Bruckmann und A. Pott, Hg., Cham: Springer International Publishing, 2021, S. 230–242 www.antriebstechnik.de antriebstechnik Marktübersicht 2023 45