Verbesserung des Bewegungsverhaltens von Robotern durch Bahnplanung

bahn abb.1

Zur Reduzierung der Zykluszeiten sollen in vielen industriellen Einsatzfällen Bahnen mit hohen Geschwindigkeiten realisiert werden. Die Festlegung sowohl der geometrischen Bahn als auch des Zeitgesetzes geschieht meistens unabhängig von den Roboterspezifischen Eigenschaften. Oft werden Rechtecke innerhalb des Arbeitsraumes definiert, in denen eine Bahn aus Geraden, Kreisen oder Splinefunktionen programmiert werden kann. Zusätzliche Kriterien, wie z.B. Kollisionen, Vermeidung von Bereichen im Arbeitsraum mit schlechten Eigenschaften usw., werden selten berücksichtigt.

Auf Grund der zunehmenden Leistungsfähigkeit der heutigen Antriebtechnik ist man allerddings bestrebt, Bewegungsabläufe möglichst optimal an gegebene Anforderungen anzupassen. Um diese Forderung zu erfüllen, ist eine optimale Festlegung der geometrischen Bahn und des Bewegungsprofils unter Berücksichtigung sinnvoller Optimierkriterien (zeitoptimal, leistungsoptimal usw.) sowie der Roboterspezifischen Grenzen (maximale Antriebsmomente und -kräfte, maximale Antriebsgeschwindigkeiten usw. ..) zu bestimmen.

Während die Optimierung von Bewegungsprofilen [1] und die Generierung von zeitoptimalen Trajektorien, siehe Abbildung 1, entlang vorgegebenen Bahnen in mehreren Arbeiten erfolgreich behandelt worden sind, bleibt die Planung der geometrischen Bahn sowohl für serielle als auch für parallele und hybride Roboter eine aufwändige und zeitintensive Suche. Aufgrund der nichtlinearen Zusammenhänge zwischen Antriebs- und Abtriebsgrößen ergeben sich für diese Art von Robotern inhomogene Verteilungen der maximal erreichbaren Kräfte und Geschwindigkeiten über den Arbeitsraum. Demnach ist ein Verfahren anzugeben, das eine Bahn innerhalb des Arbeitsraumes liefert, die Bereiche mit schlechten Eigenschaften vermeidet und damit einen optimalen Einsatz des Roboters ermöglicht.

Die in der Literatur üblichen Verfahren basieren auf einer vorherigen Berechung dieser Eigenschaften in verschiedenen Punkten, Zellen oder Intervallen des Arbeitsraumes und der Speicherung dieser Informationen in Form von Graphen. Anschließend werden klassische Suchalgorithmen, wie der A* Algorithmus oder der Dijkstra Algorithmus verwendet, um die hinsichtlich den Roboterspezifischen Grenzen (Größe des Arbeitsraumes, Form des Arbeitsraumes, maximale Leistung, Vermeidung von Kollisionen usw.) optimale Bahn zu generieren. Diese Art der Suche ist sehr zeitintensiv und erfordert einen hohen Speicherplatzbedarf, insbesondere für Roboter mit mehreren Freiheitsgraden. In diesem Forschungsvorhaben werden mehrere Ansätze der Bahnplanung implementiert und verglichen. Am Beispiel der am Insitut für Getriebetechnik vorhandenen Roboter (KUKA KR125, Ebene und räumliche Parallelroboter) werden diese Ansätze experimentell erprobt. Das Ziel ist es, ein für diese Roboter zugeschnittenes Verfahren zu entwickeln.


[1] Corves. B., Bonsch, F., Nefzi, M.: Optimierung von Bewegungsprofilen. In: VDI (Hrsg.): Bewegungstechnik. Lösung von Bewegungsaufgaben mit Koppelgetrieben, Kurvengetrieben und gesteuerten Antrieben (Getriebetagung Fulda, 19./20. September 2006 / VDI-Gesellschaft Entwicklung, Konstruktion, Vertrieb). VDI-Berichte Nr. 1966. Düsseldorf: VDI-Verlag, 2006, S. 93-110.

 

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