In-Betrieb-Rekonfiguration von parallelen Seilrobotern

Abstract

Parallele Seilroboter sind eine Unterklasse der parallelen Roboter, die Seile als Antriebselemente verwenden. Durch die Modularität der parallelen Kinematik, der Flexibilität der Antriebsseile und der Einfachheit des mechanischen Aufbaus sind Seilroboter als eine der wenigen Maschinen wirtschaftlich rekonfigurierbar. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um den Roboter auf eine neue Anforderung oder Aufgabe anzupassen oder zu optimieren. Eine entsprechende Funktion birgt ein großes Potenzial zur Steigerung der Flexibilität und Vielseitigkeit hinsichtlich möglicher Einsatzorte und Aufgaben. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Strategien für die Planung einer In-Betrieb-Rekonfiguration entwickelt und untersucht. Die Strategien betrachten mit kontinuierlichen und diskreten rekonfigurierbaren Parametern die beiden möglichen Varianten. Die praktische Anwendbarkeit wird durch jeweils ein Validierungsexperiment demonstriert. Für die modellbasierte Beschreibung des Seilroboters wird das Standardmodell eines Seilroboters verwendet. Im Standardmodell wird der Seilroboter idealisiert als geometrisches Modell betrachtet und die kinematischen Ketten werden zu Vektorschleifen vereinfacht. Die Seile werden dabei als ideale Schubgelenke und die Seilanschlagpunkte als punktförmige Kugelgelenke betrachtet. Aufbauend auf dem Standardmodell werden die rekonfigurierbaren Parameter mit kontinuierlichen und diskreten Wertebereichen eingeführt und in einem Datenmodell formalisiert. Das Datenmodell dient dazu, die notwendigen Rand- und Nebenbedingungen für die Rekonfigurationsplanung sowie die Parameter für die spätere Validierung bereitzustellen. Für die kontinuierliche Rekonfiguration wird ein Arbeitsraumkonzept eingeführt, das die Zulässigkeit der Seilkräfte, abstützbare Lasten und mögliche Plattformgeschwindigkeiten einbezieht. Bezogen auf ein quaderförmiges Anforderungsgebiet wird ein Überdeckungsmaß definiert und ein Optimierungsproblem aufgestellt, das anschließend mit einem numerischen Optimierungsverfahren gelöst wird, um die geometrischen Parameter zu bestimmen. Für die topologische Rekonfiguration wird basierend auf dem Datenmodell eine formelle Beschreibung der Rekonfiguration mit diskreten Parametern eingeführt. Der Planungsprozess wird in die Bestimmung einer Übergangskonfiguration und einer Zwischenkonfiguration aufgeteilt und zur Lösung eine Heuristik und eine Tiefensuche auf Basis eines Suchbaumes eingesetzt. Zur abschließenden Untersuchung der Anwendbarkeit werden für beide Planungsmethoden beispielhafte Szenarien definiert und die Rekonfigurationsplanung simulativ durchgeführt. Die Szenarien wurden anschließend an Seilrobotern validiert und beide Verfahren zeigen eine gute praktische Anwendbarkeit.