Steuerungs- und Regelungsstrategien zur haptischen Simulation und Synthese von Getrieben

• Open and closed loop control strategies for the haptic simulation and synthesis of linkages

Paris, Jascha Norman; Corves, Burkhard (Thesis advisor); Kecskeméthy, Andrés (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Bei der Entwicklung von Produkten, mit denen Nutzer interagieren, stehen neben der technischen Funktion auch die Ergonomie sowie die Gestaltung der Interaktion im Fokus. Treten Anwender in physischen Kontakt mit beweglichen Systemen wie Mechanismen und Getrieben, wird die Nutzererfahrung maßgeblich durch die Kinematik und Dynamik des Produkts bestimmt. Zur Unterstützung der Entwicklung von Getrieben ist es wünschenswert, die Verwendung virtueller Prototypen durch den Einsatz haptischer Feedbacksysteme (HFS) zu ermöglichen. Allerdings ist die Auslegung der Regelung eines HFS aufgrund der Kopplung mit dem Anwender und der Simulation des virtuellen Prototyps anspruchsvoll. Insbesondere der Wunsch nach einer exakten haptischen Abbildung sowie die Limitierungen der hier eingesetzten industriellen Antriebstechnik stellen Herausforderungen dar. In der vorliegenden Arbeit werden daher Steuerungs- und Regelungsstrategien zur haptischen Simulation von Getrieben abgeleitet und umfassend diskutiert. Zunächst lassen sich HFS vor dem Hintergrund des vorliegenden Anwendungsfalls einordnen und klassifizieren. Die Modellierung des virtuellen Prototyps und des verwendeten HFS RePlaLink wird beschrieben. Zusätzlich erfolgt die Identifikation von Anwendermodellen, sodass ein Gesamtmodell des Systems implementiert werden kann. Die vorgestellten Methoden zur Simulation des virtuellen Prototyps erlauben die schnelle und einfache Modifikation desselben während der Verwendung des HFS. Dieser Beitrag stellt eine Steuerungsarchitektur für HFS zur haptischen Simulation von Getrieben vor und evaluiert die Regelung des Antriebs- sowie des Gesamtsystems. Verschiedene Architekturen und Methoden, wie virtuelle Kopplungen oder Passivitätsbeobachter, werden für den vorliegenden Fall angepasst oder weiterentwickelt und hinsichtlich ihrer Stabilität und der Abbildungsqualität verglichen. Ebenfalls wird der Einfluss der Simulation des virtuellen Prototyps auf die Regelung diskutiert. Abschließend wird die Anwendung des Gesamtsystems im Entwicklungsprozess von Getrieben diskutiert. Darüber hinaus werden die Nutzung der haptischen Schnittstelle erweitert und die haptisch-interaktive Getriebesynthese entwickelt. Hierbei kann der Nutzer den virtuellen Prototypen durch das Aufbringen von Kräften während der Nutzung und unabhängig von Kenntnissen der Getriebetechnik modifizieren.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik [411910]