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Autor(en): Schmidt, Valentin Lorenz
Titel: Modeling techniques and reliable real-time implementation of kinematics for cable-driven parallel robots using polymer fiber cables
Sonstige Titel: Modellbildung und Methoden der Echtzeitberechnungen der Kinematik für parallele Seilroboter mit Polymerfaserseilen
Erscheinungsdatum: 2017
Verlag: Stuttgart : Fraunhofer Verlag
Dokumentart: Dissertation
Seiten: xiii, 146
Serie/Report Nr.: Stuttgarter Beiträge zur Produktionsforschung;65
URI: http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/9102
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-ds-91021
http://dx.doi.org/10.18419/opus-9085
ISBN: 978-3-8396-1168-5
Zusammenfassung: In this thesis, the accuracy of cable-driven parallel robots is investigated by presenting and discussing relevant factors. Models to compensate factors affecting accuracy, including cable properties such as mass, elasticity, creep and ovalization, cable pulleys, and drive trains, are given and applied where necessary. Ovalization was previously ignored in literature, but it is shown to have a significant effect. Methods of estimating the impact of each factor are used to determine a classification for cable-driven parallel robots constructed with plastic fibers. Estimations indicate that some of the factors, such as pulleys, elongation and ovalization are more significant than cable mass, temperature and a non-linear transmission ratio. These findings give an indication of which factors should be modeled first. A focus lies in the real-time capability of the presented models. The incorporation of accuracy factors in the robot controller to improve the robot kinematics is not trivial, particularly for the forward kinematics. Methods for the numerical evaluation of the forward kinematics are thus presented. The most effective improvement is an adapted intersection method for estimating the position from given cable lengths. The intersection method works remarkably well for most geometry types. Further, it is shown that the type of numerical algorithm and value preconditioning affect the proficiency of numerical solvers. The models for improving accuracy are grouped into four architecture types: direct implementation, compensation, offline calculation, and sensor feedback. The direct architecture enables complex control algorithms but is only suitable for a few mathematical models. Compensation is applicable for a wide range of models and has the advantage of retaining reliability. Factors which cannot be compensated in real-time can also be calculated offline, and any factors which have additional measurable parameters need to be incorporated into a feedback control. However, cable forces can also be approximated to achieve a simple elongation compensation. In a practical investigation, the extended models which compensate factors affecting accuracy, are verified for two cable robots. Positional accuracy, positional repeatability, pose drift, posing time and static compliance are tested. For cable robots driven by plastic fiber cables, accuracy scales with size and is 1.38mm and 40.42mm for a robot with a 1.54m and 20.2m diagonal size respectively. The repeatability of the same robots is 0.0806mm and 5.24mm. There is a significant negative correlation between static compliance and accuracy. Improvements through applying extended models are verified. Positional accuracy is improved by 30% when using a simple elongation compensation in the case of the IPAnema 3 cable robot.
In dieser Dissertation werden die Genauigkeit und die Möglichkeiten der Genauigkeitssteigerung von parallelen Seilrobotern untersucht. Verschiedene Modelle zur Kompensation der genauigkeitsbeeinflussenden Faktoren werden dargestellt und in die Robotersteuerung integriert. Dazu zählen Seileigenschaften wie Masse, Elastizität, Kriechen und Ovalisierung außerdem weitere Eigenschaften wie Umlenkrollen und Übersetzungsverhältnisse der Antriebsstränge. Ovalisierung ist dabei ein Faktor, der bisher in der Literatur kaum behandelt wurde. Methoden der Einflussgrößenabschätzung werden auch dargestellt und für Seilroboter mit Kunststofffaserseilen angewandt. Dadurch wurde ermittelt, dass Faktoren wie Umlenkrollen, Elastizität und Ovalisierung, eine größere Rolle spielen als Masse, Temperatur und Übersetzungsverhalten. Diese einflussreichen Faktoren sollten somit zuerst in die Steuerung eingebunden werden. Ein weiterer Fokus der Untersuchungen liegt auf der Echtzeitfähigkeit der Modellbildung. Um die Modelle erfolgreich zu nutzen, müssen diese in eine Echtzeitsteuerung eingebunden werden. Dies stellt eine besondere Herausforderung an die Berechnung der Vorwärtskinematik. In dieser Arbeit wird eine neue Methode der Positionsschätzung, die Schnittpunkt-Methode, vorgestellt. Diese ergibt die größte Verbesserung in der Berechnungszeit und Zuverlässigkeit gegenüber den Präkonditionierungen und der Verwendung anderer numerischer Methoden. Modelle zur Erweiterung der Steuerung wurden in vier Kategorien eingeordnet: direkte Methoden, Längenkompensation, Offline-Berechnung und Regelkreise. Direkte Methoden ermöglichen komplexe Steuerungen, kommen aber nur für wenige Modelle in Frage. Längenkompensation ist ein guter Kompromiss zwischen Genauigkeitssteigerung und Zuverlässigkeit. Modelle, die eine hohe Rechenintensität aufweisen, können vor dem Einsatz offline berechnet werden. Viele Modelle basieren auf externen Messungen von zusätzlichen Größen (z.B. Seilkraft) und müssen somit als Regelkreis in die Steuerung integriert werden. Um dies zu umgehen, können Seilkräfte auch über die Pose geschätzt werden. In praktischen Experimenten wurde die Genauigkeitssteigerung für zwei Seilroboter untersucht. Bei Seilrobotern mit Kunststofffaserseilen nimmt die Genauigkeit mit zunehmender Größe ab. Der Seilroboter IPAnema 3, mit einer diagonalen Länge von 20.2m, erreichte eine Genauigkeit von 40.42mm. Hingegen der Seilroboter IPAnema Mini mit 1.54m Diagonale erzielte eine Genauigkeit von 1.38mm. Die Wiederholgenauigkeit der beiden Roboter betrug 5.24mm beziehungsweise 0.0806mm. Durch Anwendung einer Seilkraftabschätzung und Längenkorrektur konnte die Genauigkeit des IPAnema 3 um 30% gesteigert werden.
Enthalten in den Sammlungen:07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik

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