Universität Stuttgart
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Item Open Access Mobile Robotik in der bandsynchronen Montage zur flexiblen Mensch-Roboter-Interaktion(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Bix, Johannes; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die sich wandelnden Anforderungen der Märkte sowie der Produktionsfaktoren in der Automobilindustrie zwingen diese ihre Produktionssysteme weiterzuentwickeln und an die zukünftigen Rahmenbedingungen anzupassen. Der Einsatz mobiler Robotik zur flexiblen Mensch-Roboter-Interaktion in der bandsynchronen Montage schafft die Voraussetzungen für Antworten auf die Herausforderungen in der Produktion von morgen und legt den Grundstein für zukünftige Produktionskonzepte. Die Realisierung in der bandsynchronen Montage stellt besondere Anforderungen an die mobile Robotik. Diese werden auf Basis von untersuchten Anwendungsfällen aus der Montage der Automobilindustrie in einem Anforderungskatalog zusammengetragen und die spezifischen Herausforderungen abgeleitet. Für Betreiber von starr verketteten Produktionssystemen steht neben der technischen Realisierung dieser Herausforderungen vor allem die Gesamtverlässlichkeit der Produktion im Vordergrund. Wesentliche, u.a. experimentell bestätigte Einflussfaktoren auf die Verlässlichkeit eines mobilen Roboters in der bandsynchronen Montage sind die Sicherheit und Zuverlässigkeit. Mit diesem Fokus wird für die bandsynchrone Montage in der Automobilindustrie ein katalogbasiertes Reaktionsverfahren entwickelt, das mithilfe der kognitiven Fähigkeiten des Menschen, aus einer integrierten Risikobeurteilung für Sicherheit und Zuverlässigkeit, vorbeugende Reaktionen für den mobilen Roboter ableitet. Diese sollen den Übergang des Roboters in einen sicheren Zustand - mit möglichst geringen Anforderungen an die mobile Rechenleistung - vorbeugend vermeiden und die geforderte Verfügbarkeit des verketteten Produktionssystems ermöglichen. Hierbei greift das Reaktionsverfahren nicht in die aus der Sicherheitsbeurteilung festgelegten technischen Schutzmaßnahmen ein. Die vorläufige Identifikation von Reaktionen ist aufgrund der bekannten Arbeitsabläufe und der für den industriellen Einsatz ohnehin durchzuführenden Sicherheitsbeurteilung in der Montage möglich. Die Verbesserung der Verfügbarkeit wird im Anschluss unter Laborbedingungen und in der bandsynchronen Montage experimentell nachgewiesen.Item Open Access Kompensation von Magnetisierungsabweichungen in Permanentmagnet-Synchronmotoren durch selektive Rotormontage(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Coupek, Daniel; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die Herstellung elektrischer Antriebe für Elektro- und Hybridfahrzeuge entwickelt sich von der heutigen Kleinserienproduktion hin zur Massenproduktion. Optimierte Ansätze der Qualitätssicherung in der Produktion von Verbrennungsmotoren können aufgrund technologischer Unterschiede nicht direkt auf die Produktion von Elektromotoren übertragen werden. Um die heutigen hohen Ausschussraten zu reduzieren, müssen neue Strategien entwickelt werden. Permanentmagnet-Synchronmotoren sind aufgrund ihrer kompakten Bauweise und hohen Leistungsdichte die am häufigsten eingesetzten Antriebe hybrider und elektrischer Fahrzeuge und müssen hohen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen genügen. Die Magnetisierung der Permanentmagnete unterliegt natürlichen Schwankungen, die durch Prozessregelung nicht verhindert werden können, da der Magnetisierungsprozess bereits im Sättigungsbereich durchgeführt wird. Magnetisierungsabweichungen in den Einzelteilen führen direkt zu Streuungen im montierten Rotor. Diese verringern im Betrieb die Leistung des Elektromotors und verursachen Vibrationen, die wiederum Geräuschemissionen und Verschleiß erhöhen. Eine Reparatur der Rotoren sowie der montierten Motoren am Ende der Produktionslinie ist aufgrund der Aufbauart technisch nicht möglich. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit eine Strategie der selektiven Rotormontage entwickelt, die es erlaubt, unvermeidbare Abweichungen der Magnetisierung zu erkennen und in nachfolgenden Prozessschritten zu kompensieren. Durch Ändern der Reihenfolge und Verdrehen der fehlerhaften Einzelteile soll der zusammengebaute Rotor wieder innerhalb der Toleranz liegen und ein möglichst gleichmäßiges Magnetfeld aufweisen. Eine Herausforderung ist hierbei die Entwicklung geeigneter Methoden zur Vorbehandlung der Magnetisierungs- Messwerte mittels Datenreduktion, Merkmalsselektion und –extraktion. Anschließend erfolgt eine Klassifikation der Merkmalsvektoren durch künstliche neuronale Netzwerke, welche die Grundlage der selektiven Optimierung bildet. Ein Fuzzy Inferenz System wird zur Auswahl der idealen Kombination der Einzelteile eingesetzt. Dabei wird Expertenwissen über den Prozess und die geplante Kompensation mittels Fuzzy Regeln in einer Regelbasis gespeichert. Die Methoden zur Datenanalyse, Klassifikation und Optimierung werden in MATLAB implementiert und anhand von experimentellen und simulativen Daten validiert.Item Open Access Mechatronic control system for a compliant and precise pneumatic rotary drive unit(2019) Stoll, Johannes T.; Schanz, Kevin; Pott, AndreasItem Open Access Robotermanipulationsfähigkeiten zur Automatisierung von Instandhaltungsaufgaben(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Friedrich, Christian; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)In Produktionssystemen spielt die Anlagenverfügbarkeit und Produktqualität, vor allem im Hinblick auf ökonomische Unternehmensziele, eine entscheidende Rolle. Damit dies erreicht werden kann, unterliegen Produktionseinrichtungen regelmäßigen Instandhaltungsarbeiten. Während für Inspektionsaufgaben bereits Verfahren zur Verfügung stehen, welche die automatisierte Fehlerdetektion, -isolation und -identifikation erlauben, bestehen bisher keine Systeme, die eine automatische Wiederherstellung des Sollzustands ermöglichen. Aufgrund dessen untersucht diese Arbeit neuartige Manipulationsfähigkeiten, die es einem autonomen Robotersystem erlauben, Wartungs- und Instandsetzungsaufgaben zu automatisieren, hierdurch den menschlichen Akteur unterstützen und langfristig zu einer Attraktivitätssteigerung der Produktion in Hochlohnländern führen könnten. Damit Robotersysteme derart komplexe Aufgaben unter realitätsnahen Bedingungen autonom lösen können, entwickelt diese Arbeit spezielle Fähigkeiten zur Planung, Steuerung und Regelung von Robotermanipulationen. Ein besonderes Hauptaugenmerk bei der Entwicklung dieser Methoden liegt dabei vor allem auf der zeiteffizienten Planung sowie der Möglichkeit zur Kompensation von Umweltunsicherheiten zwischen a priori und Sensordaten. Für die Aufgabenplanung wird ein Verfahren entwickelt, welches auf Basis von CAD- und visuellen Sensordaten, die notwendigen Manipulationen in Form symbolischer Anweisungen generiert. Durch einen neuartigen stichprobenbasierten Ansatz wird eine zeiteffiziente Berechnung möglicher Demontageräume erlaubt. Damit eine zielgerichtete Akquirierung relevanter Sensordaten ermöglicht werden kann, wird ein Algorithmus vorgestellt, der mittels aufgabenabhängiger Metriken die Kombination von Kartenexploration und Objekterkennung in einer geeigneten Sensorpose zulässt. Zur Planung einer Bewegungsbahn, für die Ausführung der einzelnen Manipulationsaufgaben, werden, dem Stand der Technik gemäß, bekannte globale Bahnplanungsverfahren verwendet. Jedoch wird eine Vorverarbeitungsstrategie vorgeschlagen, die auf Grundlage einer adaptiven Schrittweitensteuerung eine deutliche Reduktion des Planungsraums zulässt, wodurch eine niedrigere Planungszeit bei höherer Erfolgsrate in der Lösungsfindung erzielt wird. Die aus der Planung generierte Beschreibung wird weitergehend in ein Anwenderprogramm umgesetzt. Hierzu wird ausgehend von einer allgemeinen Dekompositionsvorschrift die Generierung elementarer Roboterkontrollanweisungen erlaubt, welche aufgabenabhängig über propriozeptive oder exterozeptive Regler ausgeführt werden. Die entwickelten Manipulationsfähigkeiten werden in eine Steuerungsarchitektur integriert und ganzheitlich an einem Demonstratorsystem, anhand praxisrelevanter Anwendungsfälle, experimentell validiert.Item Open Access Dynamics of cable-driven parallel robots with elastic and flexible, time-varying length cables(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Tempel, Philipp; Pott, Andreas (PD Dr.-Ing.)Cable-driven parallel robots are a special class of parallel manipulators with prismatic rigid-link actuators replaced by flexible and elastic fiber cables. However, this in nature simple replacement of motion and force transmitting components, results in drastic implications on the kinematics and dynamics of such robots. Not only are cables noticeably lighter than their rigid-link counterparts, but they are also more elastic and flexible which becomes very apparent when spanning a cable between two points: cable sag is induced by the cable’s own weight, a behavior that cannot be compensated for completely. Incommodiously, these two properties - elasticity and flexibility - of fiber cables makes operating cable-driven parallel robots more involved than anticipated from their rigidlink counterparts and is still an active research field. In this thesis, particular focus is placed on the dynamics of cable-driven parallel robots under explicit consideration of cables and their spatial and axial dynamics. For the purpose of designing and controlling cable robots, we derive a full multibody model of cable robots describing spatial cable motion by means of Cosserat rod theory. Borrowed from classical mechanics, Cosserat rods capture large elastic deformations such as strain and bending allowing for describing motion of cables in space. The equations of motion are discretized using Rayleigh-Ritz’s approach to turn the continuum “cable” into a finite-dimensional model. Reference for evaluation of the cable and robot model are classical beam theory much like well-established methods of cable robot kinetostatics and of cable force distribution calculations. Numerical results of the robot dynamics are obtained with an energy and momentum conserving mechanical integrator for constrained multibody systems. Axial stress-strain dynamics of fiber cables show hysteretic and nonlinear behavior which cannot be represented by a purely linear spring. We propose theoretically and investigate experimentally an analogous model based on multiple springs and dampers, that captures hysteretic behavior and stress relaxation well. Its elastic and viscous material parameters are estimated using transfer function identification. Both contributions provide valid models for further considerations in modeling, simulation, and control of cable-driven parallel robots.Item Open Access Technologierecherche zu Verzeichnisdiensten in der Produktion(2019) Steinacker, DanielDiese Arbeit dient als Literaturrecherche zu Technologien, die als Verzeichnisdienste in Produktionsnetzwerken verwendet werden können. Diese stammen dabei aus der Informationstechnologie(IT) oder der Produktion. Anschließend findet ein Vergleich einiger Technologien statt, die bei der Recherche gefunden wurden. Diese sind OpenLDAP, Active Directory, die Gelben Seiten der Industrie 4.0, OPC UA .Net-GDS, jabberd2, COM/DCOM, Bonjour und Avahi. Für den Vergleich wird ein Punktesystem eingeführt, dass die einzelnen Merkmale (Verbreitung, Aktualität, Reife der Entwicklung, Quellcodeverfügbarkeit, unterstützte Betriebssysteme, Sicherheit, Kosten, Standardisierung und Einsatzzweck) in Relation zueinander setzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5.1 dargestellt. Mit 116 von 140 möglichen Punkten ergibt sich OpenLDAP als Empfehlung, weswegen diese Technologie zusammen mit OPC UA für die Machbarkeitsanalyse verwendet wird. Für diesen Proof of Concept werden mittels Python Daten zwischen den beiden Open Source Projekten transferiert.Item Open Access Knowledge-based cost-benefit analysis of robotics for SME-like manufacturing(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Dietz, Thomas; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Robot systems promise high potential for improvement of production processes in small and medium-sized enterprises (SME). Often, reliable data for the assessment of costs and benefits of robot systems is missing, because they are special machinery and because the required information is distributed among component manufacturer, system integrator and end-user. The problem of cost-benefit assessment of industrial robot systems in the face of uncertain and incomplete information is of high relevance for unlocking the potential of robotics in SME-like production environments. In order to solve this problem, methods from business economics and from knowledge management in robotics are combined in a cost-benefit model for robot systems. This cost-benefit model builds on the established PPR-approach, which separates the concerns of product, process and resources. The PPR-approach is expanded with specific cost-relevant aspects. Domain specific costing models, borrowing from activity-based costing (ABC), for product, process, resources and cost information are proposed. These models and the meta-information required for their usage are collected in a knowledge base. The input for the cost-benefit assessment is a description of the current planning status in AutomationML. This information is matched to the information in the knowledge base through reasoning. This allows to automatically build an overall cost-benefit model for the robot system. Missing or inaccurate information causes uncertainties. These uncertainties are modeled using interval arithmetics. The overall cost-benefit model is able to process interval numbers and hence to compute on the uncertain information. The interval representation offers an intuitive description of uncertainties in costs and benefits. An amortization graph allows to intuitively represent the results of the cost-benefit assessment for the entire life-cycle. A test implementation of the cost-benefit assessment method allows an evaluation of its results for two realistic use cases. The resulting costs, benefits, and project planning are plausible and in agreement with real experience. Concluding, the cost-benefit assessment method has high potential to improve decision making in the development of robot systems.Item Open Access Modelling and control of a cable-driven parallel robot : methods for vibration reduction and motion quality improvement(2019) Schenk, Christian; Pott, Andreas (PD Dr.-Ing)Seilroboter können aufgrund ihrer parallel Struktur und dem Aufbau ihrer Antriebsstränge hohe Beschleunigungen erreichen und besitzen einen großen Arbeitsraum. Beide Eigenschaften ermöglichen den Einsatz als Simulatoren. Durch die Verwendung als Simulator ergeben sich jedoch neue Herausforderungen und Aufgabenstellungen. Zu diesen zählen Robustheit, präzises Folgeverhalten von Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen und eine schwingungsarme Betriebsart. Seile neigen aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften zu Schwingungen, die an die Platform weitergegeben werden und dadurch die Simulationsqualität negativ beeinflussen. Desweiteren können statische Reibung und aggressive Regelungsstrategien Impulse applizieren, die Schwingungen am Antriebsstrang provizieren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Methoden zur Reduzierung dieser Schwingungen und damit mit Maßnahmen zur Verbesserung der Folgeverhaltens. Die gewählten Methoden, diese liegen im Bereich der nichtlinearen robusten Regelung via Sliding-Mode Controllern, modellbasierter Vorsteuerung, Reibungskompensation, Zustandsbeobachtung mit Unscented Kalman-Filtern und Modellierung sowie Regler-Synthese basierend auf Port-Hamilton Modellierung. In Experimenten an zwei Seilrobotern mit paralleler Kinematik werden die vorgeschlagenen Reglerstrukturen und Modelle verifiziert und stellen deren Effizienz deutlich dar.Item Open Access Predictive and cooperative online motion planning : a contribution to networked mobile robot navigation in industrial applications(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Garcia Lopez, Felipe; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Current trends in intra-logistics and industrial manufacturing demand for fleets of mobile robots, or automated guided vehicles (AGVs), respectively, with high degrees of navigation autonomy to realize flexible and adaptive material transportation systems. Thereby, instead of operating in separated cells, the mobile robots are supposed to navigate autonomously in open workspaces, perform reactive obstacle avoidance and interact with pedestrian workers, human-controlled vehicles and other mobile robots. In the context of digitization, industrial environments are becoming more and more networked, raising the question how fleets of mobile robots in these environments can benefit from networked architectures to enhance their navigation capabilities regarding cooperative solutions. For that matter, this work particularly focuses on the aspect of online motion planning, a key component for autonomous mobile robot navigation. The main objective of this work is to develop and implement an online motion planning approach that enables cooperative trajectory optimization when multiple mobile robots are operating in close proximity to each other. In path-crossing scenarios, using a networked navigation architecture, the robots’ local motion planners should be able to cooperatively resolve predicted collisions and obtain smooth transitions with respect to path and velocity profiles for each involved mobile robot. In contrast, current AGV systems usually handle such path-crossing scenarios by implementing static right of way regulations where one or several mobile robots need to stop to let another robot pass. First of all, this thesis proposes a general concept of a networked system architecture for cooperative multi-robot navigation in industrial applications. Based on this concept, a concrete motion planning architecture is derived that enables cooperative optimization in multi-robot path-crossing scenarios by sharing predicted trajectories at runtime between the involved mobile robots. For this purpose, this work introduces a novel online motion planning approach for mobile robots to perform predictive trajectory planning in dynamic environments. In terms of reactive obstacle avoidance, the approach is able to incorporate predicted trajectories of dynamic obstacles. Vice versa, the planning approach considers the individual kinematic and kinodynamic constraints of the mobile robot in order to reliably predict its movement over time. Using the networked architecture, trajectories predicting the robot’s current motion are shared at runtime with other mobile robots to enable cooperative collision avoidance in path-crossing scenarios. The concepts and algorithms presented in this work have been successfully implemented in corresponding software components and have been demonstrated using a set of industrial mobile service robots. Based on this implementation, practical feasibility and performance of the proposed approach are validated and evaluated in a series of single- and multi-robot experiments.Item Open Access Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Scheifele, Christian; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Im Entwicklungsprozess neuer Produktionsanlagen werden heute im Maschinen- und Anlagenbau abgestimmte Simulationen in verschiedenen Ausprägungen eingesetzt, um die Prozesse zu beschleunigen und die Qualität bei gleichzeitiger Kostensenkung zu erhöhen. Im Entwicklungsprozess kommen Simulationen zur virtuellen Inbetriebnahme von industriellen Steuerungssystemen, im Speziellen im Rahmen der Hardware-in-the-Loop Simulation, zur Anwendung. Für eine umfassende virtuelle Absicherung und Auslegung von Produktionsanlagen müssen die Wechselwirkungen zwischen Prozess, Maschine, Steuerungssystem und Bediener durch die Virtualisierung abgebildet werden. Es besteht eine direkte Korrelation zwischen der Aussagekraft der Virtualisierung und dem möglichen Konkretisierungsgrad im Rahmen einer Hardware-in-the-Loop Simulation. Bestehende Arbeiten zeigen, dass die präzise Abbildung des Prozess- und Maschinenverhaltens in einer Echtzeit-Simulation aufgrund der beschränkten Rechenleistung zunehmend eine große Herausforderung der Hardware-in-the-Loop Simulation für die virtuelle Inbetriebnahme ist. Um diesem wachsenden Defizit zu begegnen, untersucht diese Arbeit die Steigerung der Aussagekraft virtueller Produktionsanlagen für eine umfassende virtuellen Absicherung und Auslegung im Rahmen einer virtuellen Inbetriebnahme. Ziel der Arbeit ist die Konzeption und die Entwicklung einer Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation für die Hardware-in-the-Loop Simulation, welche die zur Modellberechnung nutzbare Rechenleistung auf Basis einer parallelisierten Echtzeitberechnung in einer Co-Simulationsarchitektur steigert. Die Arbeit stellt im Rahmen der Untersuchungen zum Stand der Forschung und Technik dar, dass in bestehenden Arbeiten aus dem Bereich der Hardware-in-the-Loop Simulation mit industriellen Steuerungssystemen die Untersuchung von Co-Simulationsarchitekturen und damit die Verteilung der Berechnung auf mehrere Simulationstasks zur Steigerung der Modellkomplexität bislang ausstehend ist. Bestehende Arbeiten zur Co-Simulation aus anderen Simulationsdomänen werden den spezifischen Anforderungen an eine Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation bei der Einbindung industrieller Steuerungssysteme nicht gerecht. Dies macht die Konzeption und die Entwicklung einer Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation unter Berücksichtigung einer Einbindung industrieller Steuerungssysteme für eine virtuelle Inbetriebnahme notwendig. Die Konzeption der Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation im Rahmen der Arbeit ist in die Teilaufgaben der Konzeption der Modellierung und Initialisierung und in den Entwurf eines Kopplungs- und Synchronisationsmechanismus für die Echtzeitberechnung unterteilt. Die Modellierung der virtuellen Produktionsanlage erfolgt in einer ganzheitlichen Darstellung in einem generierbaren Blockschaltbild auf Basis einer komponentenbasierten Strukturierung. Zur Einbindung leistungsfähiger disziplinspezifischer Simulationslösungen werden unterschiedliche Integrationsmöglichkeiten zur Verfügung gestellt. Zur Parallelisierung der Modellberechnung in einer Echtzeit-Co-Simulationsarchitektur werden unterschiedliche Möglichkeiten zur Modellpartitionierung aufgezeigt und ein heuristischer Partitionierungsmechanismus entworfen. Dem hohen Aufwand einer manuellen Modellerstellung für eine virtuelle Inbetriebnahme begegnen heute bereits Ansätze der automatischen Modellgenerierung, welche sich in den Entwicklungsprozess neuer Produktionsanlagen integrieren. Durch die Realisierung einer automatisierten Parametrierung, Initialisierung und Kopplung der Echtzeit-Co-Simulation im Anschluss an eine automatische Modellgenerierung wird der wirtschaftliche Einsatz der entworfenen Plattformlösung im Maschinen- und Anlagenbau sichergestellt. Der Entwurf des Kopplungs- und Synchronisationsmechanismus berücksichtigt sowohl die Einhaltung der verlustfreien und zeitsynchronen Kommunikation mit dem Steuerungssystem als auch die Gewährleistung der Reproduzierbarkeit von Simulationsläufen im Rahmen einer Hardware-in-the-Loop Simulation. Beim Entwurf des Kopplungs- und Synchronisationsmechanismus wird eine Echtzeit-Co-Simulationsarchitektur aus Simulationstasks mit unterschiedlicher Taktung als auch unterschiedlicher Ausführungsplattform berücksichtigt. Die Arbeit schließt mit der Realisierung der entworfenen Plattform zur Echtzeit-Co-Simulation sowie deren Anwendung in zwei beispielhaften Simulationsszenarien. Es wird dargestellt, wie mit der entworfenen Plattform der Problemstellung dieser Arbeit in den ausgewählten Materialflussszenarien begegnet werden kann. Die Umsetzung der Plattform wird anhand der definierten Anforderungen der Arbeit bewertet.