Entwicklung und Konstruktion eines neuartigen Parallelmanipulators mit dem Freiheitsgrad fünf (PENTAPOD)

Hohe Steifigkeit und gute dynamischen Eigenschaften prädestinieren Handhabungsgeräte mit parallelkinematischen Strukturen, auch PKM (Parallel Kinematik Manipulator) genannt, für die Lösung einer Vielzahl praktischer Handhabungsaufgaben. Für rotationssymmetrische Fertigungsaufgaben - z. B. Bohren oder Fräsen - ist die Rotation um die zur Plattform normale Achse überflüssig. Hier eignen sich eher die noch relativ unerforschten PKM mit dem Freiheitsgrad fünf, nicht zuletzt aus Kosten- und steuerungstechnischen Gründen. Bild 1 zeigt eine vielversprechende PKM sowohl für Fertigungs- als auch für Positionieraufgaben.

Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde am Institut für Getriebetechnik und Maschinendynamik ein neuartiger Parallelmanipulator mit dem Freiheitsgrad fünf (PENTAPOD) entwickelt, konstruiert und gebaut (Bild 1).

Bild 2 zeigt das Ergebnis einer systematischen Klassifikation sämtlicher parallelkinematischen Strukturen mit dem Freiheitsgrad fünf. Für vordefinierte Anforderungen werden geeignete Strukturen herausgegriffen und hinsichtlich der Gestaltung des erreichbaren Arbeitsraum, des erforderlichen Bauraums und der strukturellen Steifigkeit verglichen (Bild 3) [1, 2]. Hierfür wurden Lösungen des inversen kinematischen (IKP) und dynamischen (IDP) Problems ausgearbeitet [3, 4]. Darauf basierend wurde der Prototyp eines Parallelmanipulators mit dem Freiheitsgrad fünf ausgelegt konstruiert und gebaut. Der Parallelmanipulator hat die Struktur „1UPU-4UPS“ und besteht aus fünf einfach angetriebenen kinematischen Ketten (Beine), die Basis und Plattform verbinden. Vier Beine sind identisch und weisen die Struktur UPS auf, mit einem Kreuzgelenk (U für Universal) auf der Basis, ein angetriebenes Schubgelenk (P für Prismatic) zur Verbindung des unteren und oberen Beines und ein Kugelgelenk (S für Spherical) auf der Plattform. Das fünfte Bein unterscheidet sich von den anderen durch ein Kreuzgelenk auf der Plattform [3].

Für die Steuerung und Regelung wird unter Verwendung der flexiblen Umgebung xPC Target der Firma Mathworks gesichert. Verschiedene Steuerungs- und Regelungskonzepte für PARAROB5-01 wurden unter diese Umgebung getestet. Zur Verminderung der dynamischen Fehler wird eine Kraftvorsteuerung unter Matlab/Simulink implementiert. Eine Lageregelung der Antriebe zur Kompensation der Abweichung zwischen dem realen System und dem dynamischen Modell wird entworfen [3].

[1] Mbarek, T.; Barmann, I.; Corves, B.: Parallel Structures with Five Degrees of Freedom: Systematic Classsification and Determination of Workspace. In Mechatronics & Robotics '04, Aachen-Germany, September 13-15, 2004, S.990-996.

[2] Mbarek, T.; Nefzi, M.; Corves, B.: Kinematic Analysis and Workspace Determination of a Parallel Manipulator with Five Degrees of Freedom. In Computational Kinematics CK2005, Cassino, Italy, Mai 4-6, 2005

[3] Mbarek, T.; Nefzi, M.; Corves, B.: Prototypische Entwicklung und Konstruktion eines neuartigen Parallelmanipulators mit dem Freiheitsgrad fünf. In: VDI-Berichte Nr. 1892, 2005.

[4] Mbarek, T.; M. Nefzi; B. Corves: Kinematic Analysis and Workspace Determination of a Five-DOF Parallel Manipulator. To appear in: Mechanism and Machine Theory (MMT 40-133)