Kombinierte Struktur- und Maßsynthese aufgabenredundanter Roboterkinematiken

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Svenja Spindeldreier, seit 5/2021
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 341489206

Forschungsaktivitäten zur kombinierten Struktur- und Maßsynthese beschäftigten sich bisher nur mit aufgabenspezifischen Robotern ohne Redundanz. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Erforschung von Modellierungs-, und Auswahlmethoden, um mehr Alternativen für industriell eingesetzte Roboter zu bieten, dort Effizienzsteigerungen zu ermöglichen und um Anwendungsfelder wie Medizintechnik durch Beachtung dortiger Nebenbedingungen in größerem Umfang zu erschließen. Den Schwerpunkt des Vorhabens bilden Aufgaben mit fünf definierten Freiheitsgraden (FG), wie z. B. Bohren, Fräsen, Schweißen oder Laserbearbeitung, deren Rotationssymmetrie einen Redundanzgrad der Endeffektor-FG von eins ermöglicht (Aufgabenredundanz).Das Vorliegen von mehr FG bietet sowohl Nachteile (mehr Antriebe, dadurch höherer Energieverbrauch, Masse, Kosten) als auch Vorteile (Redundanz vergrößert den Arbeitsraum und hilft, Singularitäten zu vermeiden). Die automatisierte Abwägung dieser Vor- und Nachteile und der Vergleich mit den bisherigen Strukturen führt perspektivisch zum Einsatz redundanter Strukturen, falls diese für die jeweilige Aufgabe von Vorteil sind. Dadurch werden weniger überdimensionierte Standard-Roboter eingesetzt, die sowohl strukturell mehr Endeffektor-FG als für die Aufgabe notwendig besitzen (Aufgabenredundanz), als auch in ihren Maßen überdimensioniert sind. Diese Roboter erfüllen zwar kinematische Anforderungen wie einen kollisions- und singularitätsfreien Arbeitsraum, ihr Energieverbrauch ist allerdings durch die größeren Massen und zusätzlichen Antriebe höher als notwendig.Das Ziel des beantragten Vorhabens ist die Erweiterung der Methoden zur Redundanzauflösung für die kombinierte Struktur- und Maßsynthese aufgabenspezifischer Roboter. Dies ermöglicht aufgabenredundante Kinematiken, deren Maße (Dimensionierung) für eine gegebene Aufgabe optimiert werden. Es entstehen somit Roboter, die aufgabenspezifisch in ihrer Dimension, nicht aber – aufgrund der Redundanz – in ihrer Struktur sind. Die Aufgabenredundanz der in den Vergleich aufzunehmenden Strukturen erlaubt die Optimierung von Leistungsmerkmalen durch Nullraumbewegungen, die die Aufgabe selbst nicht beeinflussen. Die Nutzung von Aufgabenredundanz zur Steigerung der Leistungsmerkmale gegenüber nicht-redundanten Kinematiken muss bereits in der Maßsynthese der Strukturen erfolgen, da das Potential dieser Art von Redundanz stark von der Dimensionierung des Roboters abhängt.Die Redundanz liefert einen Freiheitsgrad für die inverse Kinematik wodurch die übergeordnete Zielfunktion der Maßsynthese beeinflusst wird. Da in der Redundanzauflösung eine (ggf. andere) Zielfunktion optimiert wird, müssen Zusammenhänge zwischen den kaskadierten Optimierungen (Maßsynthese und Redundanzauflösung) gefunden werden, damit ein Zusammenwirken der beiden Ebenen ermöglicht wird. Im Vordergrund stehen dabei ein Transfer von Methoden von der kinematischen zur Aufgabenredundanz sowie die Entwicklung der Optimierungsstrukturen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tobias Johannes Ortmaier, bis 5/2021