Universität Stuttgart
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Item Open Access Untersuchungen zur Eignung mikrohydraulischer Antriebe für die minimal invasive Chirurgie(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Cuntz, Timo; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Da schonender für den Patienten, werden chirurgische Eingriffe zunehmend minimal invasiv durchgeführt. Dabei führt der Chirurg durch kleine Schnitte in Haut und Gewebe, ein Endoskop zur Sichtbarmachung der Operationsumgebung als auch chirurgische Spezialinstrumente in den Körper ein. Trotz der hohen Zunahme, der minimal invasiven Eingriffe, stagniert die Entwicklung neuer Werkzeuge für diese Operationstechnik. Zwar wurden neuartige Instrumente mit mehreren Bewegungsfreiheitsgraden an der Spitze entwickelt, diese besitzen aber solch große technische Probleme bei ihrer Anwendung, dass sie kaum benutzt werden. Ein Wechsel, weg von der der mechanischen Kraftübertragung mit Seilzügen, hin zu Direktantrieben, mit kompakten Aktoren in der Instrumentenspitze verspricht die Lösung dieser Probleme. So besteht in der minimal invasiven Chirurgie ein großer Bedarf an leichten, kraftvollen aber dennoch kompakten Antrieben, welche lediglich durch Kabel oder Schläuche und somit räumlich unabhängig im Körper versorgt werden. Beim Vergleich existierender Antriebsarten konnte gezeigt werden, dass hydraulische Antriebe die besten Voraussetzungen mitbringen um die zuvor erarbeiteten Anforderungen zu erfüllen. Die in der Konzeptphase in der Theorie angestellten Abschätzungen, vor allem zur Miniaturisierbarkeit hydraulischer Systeme, damit sich diese für den Einsatz in hydraulisch betriebenen Instrumenten für die Chirurgie eignen, konnten in praktischen Versuchsreihen bestätigt werden. In der Arbeit wurden zunächst leistungsstarke Hydraulikzylinder mit Durchmessern von wenigen Millimetern entwickelt, aus denen anschließend hydraulisch betriebene Instrumentenfunktionsmuster entstanden. Durch die Verwendung biokompatibler Materialien bis hin zu den Hydraulikmedien und dem Nachweis der Sterilisierbarkeit der kompletten Systeme wurde gezeigt, dass hydraulisch betriebene Instrumente die grundlegenden Medizinischen Anforderungen erfüllen und somit ein der Chirurgie eingesetzt werden können. Die durchgeführte Verifizierung der Instrumente demonstrierte, dass sie die geforderten Kräfte erreichen und sogar bei weitem übertreffen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Nachweis für die Eignung hydraulischer betriebener Instrumente in der minimal invasiven Chirurgie erbracht.Item Open Access Force control of cable-driven parallel robots(2016) Kraus, Werner; Pott, Andreas (Junior-Prof. Dr.-Ing.)In this thesis, a relatively new class of robots which use cables instead of rigid links is investigated. As cable can transmit only pull forces, cable robots make high demands on the control. The cable robots investigated in this thesis have more cables than degrees-offreedom of the platform and, thus, belong to the class of redundant robots. The redundancy allows to tense the cables agairrst each other. A control approach for synchronaus control of the platform position and the cable forces is proposed. For this purpose, system identifications for dynamic models of the robot are carried out and the forward kinematics is expanded to deal with non-linear cable stiffness. The proposed approach for calculation of the desired cable forces allows for step-less adjustment of the internal tensions. The investigations show that with change of the internal tension the eigenfrequencies of the robot can be influenced by 15-30%. By choice of a minimal tension Ievel, the energy consumption of the robot can be decreased by up to 20% while the performance of the robot remains on the same Ievel. For the proposed control scheme, extensive investigations of the positional accuracy are carried out. As reference approach, the control assuming a rigid robot model without closed-loop control of the operational space position and cable forces is used. The two approaches delivered comparable results in the workspace centre. The position accuracy with a payload of 80 kg amounted to roughly 70 mm and 2.5°. Using the proposed controller at the workspace border, almost the same accuracy could be reached as weil, as the cables are kept under tension. For rnachining processes like grinding, the well-known hybrid position and force control approach is incorporated on a cable robot. With the control approach, the robot can apply a contact force in a programmable direction, while the platform can be position-controlled in the Iasting directions. For the human robot cooperation, an admittance controller is proposed. The platform simulates a virtual spring-mass-damper system which enables for the implementation of a virtual workspace. With the demonstrator, a bandwidth of 13Hz is reached.Item Open Access Entwicklung eines Sensorsystems und eines Verfahrens zur Berechnung der Roboterpose auf Basis von projizierten Strukturen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Drust, Manuel; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die Genauigkeitssteigerung von Industrierobotern ist eine zentrale Aufgabe, um Robotersysteme auch für Produktionsprozesse mit hohen Genauigkeitsanforderungen, wie Entgraten oder Bohren, einzusetzen. Roboter sind in der Lage, Posen im Arbeitsraum des Roboters wiederholbar anzufahren. Jedoch ist das absolutgenaue Anfahren von Roboterposen bisher für viele Prozesse nicht ausreichend. Eine Möglichkeit, die Absolutgenauigkeit von Robotern zu verbessern, ist die Online-Korrektur der Roboterpose mit den Messwerten eines zusätzlichen optischen Sensorsystems. Allerdings erreichen herkömmliche Sensorsysteme kaum eine Marktdurchdringung aufgrund fehlender gemessener Freiheitsgrade, unzureichender Genauigkeit oder den eingeschränkten Möglichkeiten zur Integration am Robotersystem. Das im Rahmen dieser Dissertation entwickelte Messprinzip für ein gestaltetes Sensorsystem verwendet die Projektion einer Maßverkörperung in den Arbeitsraum des Roboters und benutzt diese als berührungslose, ortsfeste Referenz zur Bestimmung der Roboterpose. Der zentrale Beitrag dieser Arbeit ist die Formulierung einer Gesetzmäßigkeit und das daraus entwickelte Messverfahren zur Auswertung der Messungen durch Bildverarbeitung und zur Berechnung der Roboterpose und damit die Möglichkeit zur Genauigkeitssteigerung in der Robotik. Weiterführend untersucht die vorgestellte Arbeit durch Simulation die Auswirkung von Einflussgrößen, wie die Anzahl gemessener Projektionen oder das Rauschniveau der Messung, auf das Ergebnis. Das in der Simulation erprobte Messverfahren wird nach Umsetzung des Sensorsystems und der Integration am Robotersystem in experimentellen Anwendungen, insbesondere bei der Bewegung entlang von Linien und Kreisen in einem Messquader validiert. Das wesentliche Ergebnis ist die Verbesserung der erreichbaren Genauigkeit des Sensorsystems im Vergleich zum Referenzfall eines monokularen Sensorsystems um etwa 83,2% bei Bestimmung aller Freiheitsgrade der Pose. Zudem wurde experimentell bei translatorischen Bewegungen des Roboters entlang paralleler Prüfbahnen die translatorische Genauigkeit eines definierten Kriteriums von 0,087mm bei einer Unsicherheit von 0,048mm erzielt. Aus dem Beitrag dieser Arbeit entsteht die Möglichkeit, Sensorsysteme als Basis für die Entwicklung absolutgenauer Robotersysteme bereitzustellen und folglich bei komplexen und genauen Bearbeitungsaufgaben einzusetzen.Item Open Access Ganzheitliche Methode zur Auslegung von Reinräumen mit definierter organischer Luftreinheit(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Keller, Markus; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Chemische Oberflächenkontaminationen werden ein immer wichtigerer Aspekt für kontaminationskritische industrielle Prozesse. Viele Materialen emittieren unerwünschte gasförmige Substanzen in die Umgebungsluft kontrollierter Produktionsumgebungen, welche später auf kritischen Oberflächen beispielsweise auf Silizium-Wafer in der Halbleiterindustrie und empfindlichen Optiken kondensieren und zu massiven Schädigungen des finalen Produkts führen können. Aus diesem Grund müssen Materialien, welche in den entsprechenden kontaminationskritischen Umgebungen eingesetzt werden sollen, hinsichtlich deren Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) bewertet und klassifiziert werden. Basierend auf diesen Ergebnissen können Materialien direkt untereinander hinsichtlich deren VOC-Emissionen betrachtet und Materialien ohne Emission von prozesskritischen Verbindungen wie Phthalate, Siloxane und Organophosphate ausgewählt werden. Die im Rahmen dieser Dissertation neu beschriebene ganzheitliche Methode beinhaltet dazu folgende Teilschritte: Zuerst wurden alle zu untersuchenden Materialien vorbereitet und in einer VOC-reduzierten Umgebung mit turbulenzarmer Verdrängungsströmung vorkonditioniert. Anschließend folgte die Emissionsmessung aufgeteilt in die Probenahme mit Hilfe einer Mikrokammer und anschließender Analytik mittels Thermodesorption und Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektroskopie. Alle relevanten Parameter wie die Temperatur während der Probenahme, Volumenstrom und Dauer der Emissionsmessung wurden während der Methodenentwicklung als standardisierte Werte festgelegt. Die Analytik basierte auf einer bereits normierten Methode. Die ermittelte oberflächenspezifische Materialemissionsrate wurde zur Klassifizierung in eine standardisierte Kennzahl zur Klassifizierung überführt. Diese Materialklassifizierung ermöglichte eine gezielte Materialauswahl schon während der Planungsphase einer Reinraumumgebung. Zur Abschätzung der zu erwartenden VOC-Konzentration einer geplanten Reinraumumgebung in Abhängigkeit der Materialauswahl wurde ein geeignetes Simulationsmodell aufgestellt. Unter Zuhilfenahme dieses Modells wurden für zwei geplante Reinräume mit geringer VOC-Konzentration Grenzwerte hinsichtlich der maximalen oberflächenspezifischen Materialemissionsrate für Materialien mit großer Oberfläche (Boden und Wandsysteme) und Materialien mit hohen Ausgasungswerten (Dichtungs- und Klebstoffe) aufgestellt. Basierend auf diesen Grenzwerten wurden Materialempfehlungen ausgehend von allen klassifizierten Materialien gegeben. Beide Reinräume (ein Reinraum unter anderem für das Raumfahrtprojekt ExoMars bei der ESA-ESTEC in Noordwijk und ein Forschungsreinraum am Fraunhofer IPA) wurden dann mit den vorab ausgewählten Materialien errichtet. Die letztendlich ermittelten VOC-Konzentrationen zum Zeitpunkt der Fertigstellung entsprachen den festgelegten Vorgaben. Die ganzheitliche Methode zur Auslegung von Reinräumen mit definierter organischer Luftreinheit konnte damit verifiziert werden.Item Open Access Framework für die energieoptimale Ansteuerung von Werkzeugmaschinen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Schlechtendahl, Jan; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Werkzeugmaschinen haben einen großen Anteil am elektrischen Gesamtenergiebedarf der deutschen Industrie. Studien zur Reduktion des Energieverbrauchs von Werkzeugmaschinen haben ergeben, dass eine Senkung des Energieverbrauchs nur durch viele Einzelmaßnahmen möglich ist. Die Umsetzung von Einzelmaßnahmen erfolgt nach einer Umfrage des Instituts der deutschen Wirtschaft Köln allerdings heute nur, wenn diese sich kostengünstig realisieren lassen (Mahammadzadeh 2013). An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an, die ein Framework für die energieoptimale Ansteuerung beschreibt, mit dem unterschiedliche steuerungstechnische Einzelmaßnahmen zur Energieoptimierung von Werkzeugmaschinen zur Laufzeit einfach und kostengünstig umgesetzt werden können. Ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik werden dafür zuerst Konzepte entwickelt, um den energetischen Istzustand der Werkzeugmaschine zu erfassen. Als zweiter Schritt erfolgt dann die Definition von allgemeingültigen Stelleingriffen, mit denen der Energieverbrauch gesenkt werden kann. Um Einzelmaßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs durch Energieoptimierer durchführen zu können, werden die Schnittstellen der Energieoptimierer definiert sowie Mechanismen entwickelt, um die Energieoptimierer ins Framework einzubinden. Da eine Optimierung heute maßgeblich von Randbedingungen (wie z.B. einer Pausenzeit) abhängt, wird weiterhin ein Konzept zur Parametrierung und Überwachung der Energieoptimierer zur Laufzeit entworfen. Die Parametrierung kann dabei durch ein übergeordnetes Manufacturing Execution System (MES) oder durch den Maschinenbediener über eine Bedienoberfläche erfolgen. Den Abschluss der Arbeit bilden eine Realisierung der Konzepte sowie deren Evaluation. Durch die Evaluierung wird gezeigt, dass eine energieoptimale Ansteuerung durch das in dieser Arbeit entwickelte Framework in Kombination mit einem Energieoptimierer einfach und kostengünstig realisiert werden kann.Item Open Access Modellbasierte Softwareentwicklung für mobile Manipulatoren im industriellen Einsatz(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Bubeck, Alexander; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Roboter, die Mobilität und Manipulation verbinden, stehen in immer größerer Anzahl für den Einsatz in Wissenschaft, aber auch in industriellen Anwendungen zur Verfügung. Jedoch ist die Softwareentwicklung durch die hohe Anzahl an Aktoren und Sensoren für solche Robotersysteme aufwändig und komplex. Eine Nutzung ist im industriellen Kontext daher oft nicht wirtschaftlich. Ziel dieser Arbeit ist eine Verbesserung der Softwareentwicklung durch modellgetriebene Entwicklungsmethodik herbeizuführen, um durch geringeren Aufwand, durch verstärkte Wiederverwendung bestehender Software und durch das bessere Separieren von Expertenwissen die Entwicklungskosten zu senken. Dazu wird im Rahmen dieser Arbeit eine direkte formale Beschreibung des ROS Komponentenframeworks als Meta-Modell entwickelt, auf dessen Basis eine Entwicklungstoolchain umgesetzt wird. Die konzeptionelle Nähe zu den bestehenden Mechanismen innerhalb des Komponentenframeworks ermöglicht eine schnellere Akzeptanz bei ROS Entwicklern sowie die Wiederverwendung bestehender ROS Komponenten. In der Umsetzung des Meta-Modells wird dabei die Auftrennung von Entwicklerrollen und -belangen umgesetzt. Zudem wird durch Modelltransformationen eine Unterstützung von anderen Roboterframeworks und Meta-Modellen implementiert. Die entwickelte Toolchain wird in dieser Arbeit im Rahmen von drei Case Studies auf Roboterentwicklungsprozesse angewandt und bzgl. Wiederverwendbarkeit, der Auftrennung von Nutzerrollen und des Entwicklungsaufwands analysiert. Dabei kann eine Effizienzsteigerung und eine Verbesserung von Wiederverwendungsmetriken gezeigt werden. Mit Hilfe einer Entwicklerbefragung wird zudem eine qualitative Verbesserung von Entwicklungsprozessen für mobile Manipulatoren durch die modellbasierte Toolchain nachgewiesen.Item Open Access Energieeffizienter Betrieb von Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen mit Anschwemmfiltern(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Rahäuser, Raphael; Klemm, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Bei der spanenden Metallbearbeitung mit Kühlschmierstoff werden zur Kühlschmierstoffaufbereitung bevorzugt zentrale Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen eingesetzt, in denen der Kühlschmierstoff zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Reinheitsgrads permanent gereinigt wird. Beim Einsatz von Anschwemmfiltern besteht ein hohes Potenzial zur Erhöhung der Energieeffizienz. Aufgrund der Wirkungsweise der Anlagen muss der Filter regeneriert werden, sobald der mit der Pumpe durchsetzbare Förderstrom durch die mit der Zeit ansteigende Filterverschmutzung einen bestimmten Grenzwert unterschritten hat. Bisher werden die Pumpen nicht geregelt und zusätzlich gedrosselt, da dadurch auf einfache Weise über den am Filter messbaren Druck der durchsetzbare Förderstrom bewertet werden kann. Dadurch werden die Anlagen unabhängig vom momentanen Bedarf an gereinigtem Medium konstant unter Volllast und ineffizient betrieben. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zum energieeffizienten Betrieb von zentralen Kühlschmierstoff-Reinigungsanlagen mit Anschwemmfiltern vorgestellt. Bei diesem wird der Förderstrom durch die Filter über eine Folgeregelung mit drehzahlverstellbaren Pumpen an den Bedarf an gereinigtem Medium angepasst, wodurch der Energieeinsatz bei geringerem Bedarf reduziert wird. Der am Filter messbare Druck variiert im geregelten Betrieb mit der Förderstromanpassung und ist kein Maß mehr für den durchsetzbaren Förderstrom. Daher wird im geregelten Betrieb über ein Berechnungsmodell der Druck am Filter rekonstruiert, der sich beim ungeregelten Betrieb der Pumpe ergeben würde. Hierzu wird ein Berechnungsmodell in Form von einfach ausführbaren Algorithmen vorgestellt, welches eine leichte Identifikation im laufenden Betrieb ermöglicht. Das Verfahren wurde an einer Bestandsanlage erfolgreich umgesetzt. An der betrachteten Anlage ergibt sich durch das Verfahren, bei der Verwendung der bestehenden gedrosselten Pumpen, ein Energieeinsparpotenzial von 62 %. Die Bewertung des Einsatzes des Verfahrens mit einer auf eine möglichst hohe Energieeffizienz ausgewählten Pumpe ergibt ein Energieeinsparpotenzial von 73 %.Item Open Access Definition eines Datenhaltungskonzepts für Industrie 4.0 Anwendungen(2016) Strljic, MatthiasDiese Arbeit umfasst die Entwicklung eines Datenhaltungskonzeptes für Industrie 4.0 Anwendungen. Hierfür wurden Datenformate entlang der Industrie 4.0 Wertschöpfungsketten betrachtet und mit den Rahmenbedingungen des Referenzarchitekturmodells Industrie 4.0 ein Datenmodell erstellt. Dieses Modell wurde anschließend mithilfe von AutomationML in ein maschinenlesbares Format umgesetzt, welches Assetinformationen innerhalb eines einheitlichen Datenformates abbildet und somit die Wertschöpfung von formatübergreifenden Industrie 4.0 Anwendungen vereinfachen soll.Item Open Access Methode zur Reduktion technischer Nebenzeiten in der spanenden Fertigung(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Bosch, Thomas; Klemm, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Kostendruck und Ressourceneffizienz machen es notwendig, Fertigungsprozesse immer weiter zu optimieren. Ein probates Mittel ist dabei die Reduktion der so genannten technischen Nebenzeiten. Diese haben einen nicht unwesentlichen Anteil an der Hauptnutzungszeit von Werkzeugmaschinen und sind im Gegensatz zu den technischen Hauptzeiten nicht wertschöpfend. Viele Fertigungsprozesse weisen einen Anteil technischer Nebenzeiten auf, der knapp unter oder gar über dem der technischen Hauptzeiten liegt. Die Optimierung technischer Nebenzeiten stellt sich aber äußerst komplex dar. Computerized Numerical Controls (CNC) sind in ihrer Anwendung, Sprachsyntax und Parametrierung äußerst vielschichtig. Das notwendige Fachwissen, technische Nebenzeiten optimieren zu können, besitzen nur sehr wenige Personen. Um diesem Umstand entgegen zu treten, wurde die in dieser Arbeit vorgestellte Methode zur Reduktion technischer Nebenzeiten für die spanende Fertigung neu entwickelt. Dazu werden zuerst acht verschiedene Verfahren der Potenzialanalyse technischer Nebenzeiten vorgestellt. Daran anknüpfend wird die eigentliche Methode zur Reduktion technischer Nebenzeiten behandelt. Sie gliedert sich in acht thematisch geordnete Gruppen, wobei der Fokus dieser Arbeit auf den drei wichtigsten Gruppen liegt. Sie beinhalten jeweils verschiedene Optimierungsverfahren. Diese werden dargestellt und miteinander verglichen. Außerdem erfolgt dabei auch eine Beschreibung spezifischer Vor- und Nachteile. Da ein Großteil der Verfahren für eine manuelle Anwendung zu komplex ist, wurden Computerprogramme entwickelt, welche Teile der Anwendung der Methode automatisieren und sie somit einfacher anwendbar machen. Um die Verfahren zur Potenzialanalyse und der Methode zur Reduktion technischer Nebenzeiten bewerten zu können, wurden diese an drei ausgewählten, realen Fertigungsprozessen der Großserienfertigung automobiler Antriebsstrangkomponenten angewendet. Gehobene beziehungsweise zu hebende Potenziale werden ausführlich dargestellt und erklärt. Die Bewertung der Potenzialanalyse- und Optimierungsverfahren erfolgt anhand der ermittelten Potenziale und ergänzender Bewertungskriterien.Item Open Access Design and implementation of next-best-view algorithms for automatic robotic-based (dis)assembly tasks(2016) Zielke, ViktorRobots tasked with the autonomous interaction of objects, such as assembly and disassembly tasks, in a dynamic environment require the ability to explore their environment and detect objects for interactions. State-of-the-art methods exist which can handle these tasks separately. This work describes a method for combining both tasks and therefor reduce the amount of costly operations like motion and sensing. A next-best-view system is developed which incrementally builds a map of the environment and enables the selection of view poses for an eye-in-hand robot system. The system and the performance of the selected view poses is evaluated on a robotic system. The evaluations showed that the method selected view poses which explored the environment and detected objects.