Exploiting the natural dynamics of parallel robots for energy-efficient pick-and-place tasks

• Nutzung der Eigenbewegung paralleler Roboter für die energieeffiziente Durchführung von Pick-and-Place Aufgaben

Barreto Melgarejo, Juan Pablo; Corves, Burkhard (Thesis advisor); Rixen, Daniel J. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Bei der Durchführung von Pick-and-Place-Aufgaben werden die Glieder von Industrierobotern kontinuierlich beschleunigt und gebremst. Infolgedessen schwankt ihre kinetische Energie ständig und es entsteht ein enormes Potenzial für Energieeinsparungen. Die zur Beschleunigung der Glieder eingebrachte Energie kann während der Bremsphasen zurückgewonnen und zur Beschleunigung genutzt werden, anstatt sie als Wärme abzuführen. Eine Möglichkeit zur Realisierung einer solchen Energieeinsparung ist, den Mechanismus durch Einbringen elastischer Elemente in ein schwingungsfähiges System umzuwandeln, so dass der Roboter mit der gewünschten Frequenz zwischen den erforderlichen Positionen schwingt. Parallelroboter eignen sich sehr gut für energieeffiziente Pick-and-Place-Aufgaben. Ein typisches Beispiel ist der Delta-Roboter, der bei Verpackungsprozessen sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen kann. Bei dieser Art von Robotern sind die Motoren im Gestell gelagert. Dies ermöglicht die Verwendung leichterer Glieder und führt zu geringerem Energieverbrauch sowie höheren Arbeitsgeschwindigkeiten und besserer Präzision. Die dynamische Analyse solcher Strukturen wird jedoch wegen der passiven Gelenke erschwert. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit untersucht, die Energieeffizienz von mit Federn modifizierten Parallelrobotern bei Pick-and-Place Aufgaben durch Ausnutzung der Eigenbewegung zu erhöhen. Es werden zwei Methoden vorgestellt, um die erforderlichen Parameter der Federn so zu finden, dass die Eigenbewegung des modifizierten Roboters einer vorgegebenen Aufgabe entspricht. Da die Aufgabe kontinuierlich variieren kann, wird zusätzlich eine Methode zur Minimierung des Energieverbrauchs einschließlich dieser Störungen vorgeschlagen. Diese Methoden wurden in der Simulation eines Delta-Roboters und eines Fünfgelenkgetriebes implementiert. Zur Abschätzung des Energieverbrauchs wird eine Reihe von Aufgaben im Arbeitsraum der Roboter definiert und typische Steuerungen simuliert. Es wird gezeigt, dass die Eigenbewegung trotz der Nichtlinearitäten der Parallelroboter durch die Einbeziehung linearer Federn mit konstanter Steifigkeit so eingestellt werden kann, dass die den Anforderungen der Nennaufgabe entspricht. Außerdem wird dargelegt, dass eine signifikante Reduzierung des Energieverbrauchs möglich ist, ohne die Vielseitigkeit des Roboters wesentlich zu beeinträchtigen. Die Ergebnisse werden mit denen der Implementierung einer alternativen Energiesparstrategie im Roboter ohne Federn verglichen.

Einrichtungen

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