Energy-efficient trajectory planning for robot manipulators

• Energieeffiziente Trajektorienplanung für robotische Manipulatoren

Lorenz, Michael; Corves, Burkhard (Thesis advisor); Müller, Andreas (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Infolge der zunehmenden Sensibilisierung für die anthropogene Erderwärmung und ihre katastrophalen Auswirkungen auf das globale Klimasystem erwächst in der Gesellschaft die Forderung nach einem wirksamen Umwelt- und Klimaschutz. Da der menschliche Energiebedarf einen wesentlichen Beitrag zur globalen Erwärmung leistet, konzentriert sich auch der industrielle Sektor zunehmend auf die nachhaltige Nutzung verfügbarer Rohstoffe und Energieressourcen. In dieser Hinsicht bietet insbesondere das verarbeitende Gewerbe ein erhebliches Potential zur Verbesserung der Energieeffizienz künftiger Produktentwicklungs- und Produktionsprozesse. Vor diesem Hintergrund präsentiert die vorliegende Dissertation eine innovative Methodik zur effizienten Gestaltung und Optimierung technischer Bewegungsprofile für automatisierte Maschinen und Roboter. Im Gegensatz zur heutigen Industrieautomatisierung, die vorwiegend auf zeitoptimierten Bewegungsabläufen beruht, soll somit durch effiziente Trajektorienplanung eine ökologische Ausgestaltung künftiger Produktionsprozesse realisiert werden. Im Detail verkörpert der vorgeschlagene Ansatz eine Erweiterung der diskreten optimalen Planung in Richtung universeller Manipulations- und Transportaufgaben sowie beliebig komplexer Robotersysteme. Konzeptionell basierend auf der Graphentheorie werden unterschiedliche Verfahren der quasizufälligen Zustandsraummodellierung und Kürzeste-Pfad-Suche analysiert und für allgemeine Bewegungsmuster getestet. Zu diesem Zweck umfasst der vorgeschlagene Forschungsansatz eine standardisierte Definition räumlicher und zeitlicher Bewegungszustände sowie die heuristische Bewertung zulässiger Zustandsmodifikationen. Anschließend kann die gerichtete Menge diskreter Zustandsübergänge anhand geeigneter Erkundungsalgorithmen systematisch nach kosteneffizienten Bewegungspfaden durchsucht werden. Zu Validierungszwecken wird die diskrete optimale Planung mit der knotenbasierten Trajektorienoptimierung verglichen, die im Allgemeinen auf der analytischen Formulierung sowie numerischen Optimierung von elementaren Bewegungsprofilen basiert. In diesem Zusammenhang bestätigen die durchgeführten Simulationen die zuverlässige Ermittlung kosteneffizienter Trajektorien und zeigen somit ein erhebliches Einsparpotential durch die räumliche und zeitliche Modifikation bekannter Referenzbewegungen. Darüber hinaus widmet sich ein zentraler Schwerpunkt dieser Arbeit der regenerativen Rekuperation, die eine unterstützende Energiereduktion durch ein aktives Antriebsmanagement ermöglicht. Weitere Untersuchungen umfassen die Antriebsredundanz parallelkinematischer Mechanismen und somit die aktive Verteilung von Antriebskräften durch die Regelung innerer Vorspannungen. Zusammenfassend bilden die in dieser Arbeit entwickelten Methoden den Rahmen eines energieeffizienten Bewegungsdesigns für allgemeine Roboteranwendungen im multi-dimensionalen Raum. Im Gegensatz zu klassischen Planungsstrategien gewährleistet das diskrete Zustandsraum-Sampling zudem eine reproduzierbare Erkundung kürzester Pfade bei deutlich reduzierter Laufzeitkomplexität. Unter der Annahme einer breiten und universellen Anwendbarkeit der energieeffizienten Bahnplanung belegt der vorgestellte Ansatz ein hohes Potential zur nachhaltigen Gestaltung dynamischer Bewegungen und unterstützt schließlich die ökologische Ausrichtung allgemeiner Fertigungsprozesse.

Einrichtungen

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