Designoptimierung für dynamische Systeme, Laufroboter und andere periodisch arbeitende Maschinen

• Antragsteller: Professor Dr. C. David Remy
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501862165

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer systematischen Methode zur Designoptimierung von Maschinen und Mechanismen welche quasi-periodische Bewegungen ausführen. Als Beispiel möge ein Pick&Place-Roboter dienen, der Objekte aus einer Kiste auf ein Transportband lädt. Auch wenn solche Mechanismen keine nennenswerte externe Arbeit leisten, benötigen sie Energie um mechanische Verluste durch Dämpfung, Reibung und Kollisionen auszugleichen. Vor allem aber müssen sie die negative Arbeit die beim Abbremsen einer Bewegung entsteht in der nächsten Beschleunigungsphase mit positiver Aktuatorarbeit kompensieren.Durch ein gezieltes Design der mechanischen Dynamik lässt sich der Energiebedarf für solche Mechanismen reduzieren und die Arbeitsgeschwindigkeit erhöhen. Eine erstklassige Inspiration für ein solch cleveres Design findet man in der Natur. In verschiedenen Gangarten wie Gehen, Traben oder Galoppieren entsteht ein wesentlicher Teil der Bewegung passiv. Anstatt Energie durch negative Muskelarbeit zu dissipieren, wird sie elastisch in Muskeln, Bändern und Sehnen gespeichert oder von Kinetischer- in Gravitationsenergie umgewandelt.Die zugrundeliegende Prämisse ist, dass die mechanische Dynamik eines solchen Systems in der Lage ist, einen wesentlichen Teil einer gewünschten Bewegung passiv zu erzeugen, so dass diese mit minimalem Aufwand aufrechterhalten werden kann. Da die Dynamik eines mechanischen Systems von dessen Struktur abhängt (d.h., von der Massenverteilungen, der Steifigkeit der elastischen Elemente, usw.), koppelt eine solche Ausnutzung der Dynamik inhärent das Design eines Systems an seine optimale Bewegung. Dabei kann die Dynamik eines komplexen mechanischen Systems normalerweise in verschiedenen diskreten Moden angeregt werden. Bei Menschen und Tieren, zum Beispiel, manifestieren sich diese verschiedenen Moden als die unterschiedlichen Gangarten, wodurch eine effiziente Fortbewegung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ermöglicht wird. Um wirklich optimale Ergebnisse zu erzielen, müssen das Design der mechanischen Struktur und die Generierung von darauf abgestimmten Bewegungen also gleichzeitig erfolgen.In diesem Projekt wollen wir mit der Hilfe von Methoden aus den Gebieten der numerischen Optimierung, der Optimalsteuerung und des maschinellen Lernens, eine solche simultane Optimierung durchführen um die Vorteile der mechanischen Dynamik systematisch auszunutzen. Durch die Anregung verschiedener Moden werden wir zudem versuchen, ein einzelnes mechanisches Design für mehrere Aufgaben gleichzeitig zu optimieren.Als Beispielanwendung dient in diesem Projekt die Laufrobotik. Die Methoden, die wir dafür entwickeln, werden aber gezielt allgemein gehalten, so dass sie auch in anderen Anwendungsbereichen der Robotik und Mechatronik eingesetzt werden können. Dazu werden wir die entwickelten Algorithmen zu einer modularen Toolbox für die Designoptimierung von periodisch arbeitenden Maschinen und Mechanismen kombinieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2353: Mehr Intelligenz wagen – Entwurfsassistenten in Mechanik und Dynamik