Robotik und Mechatronik

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In der Gruppe Robotik und Mechatronik werden Robotersysteme und Automatisierungsverfahren erforscht, weiterentwickelt und optimiert. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf parallelen, seriellen und hybriden industriellen Robotern und autonomen mobilen Plattformen (FTF, AGVs). Grundlagenorientierte Themen, beispielsweise zu redundanten Systemen, re-konfigurierbaren Robotern oder dem Einsatz von Festkörpergelenken, werden im Rahmen von Promotionsvorhaben und öffentlich geförderten Projekten erforscht. Anwendungsorientierte Forschungsfragen bearbeiten wir in direkter Kooperation mit Roboter-Herstellern, Systemlieferanten und Endanwendern. Aktuelle Fragestellungen im Bereich von Industrie 4.0 und vernetzter Automation stehen im Vordergrund der Forschungsaktivitäten innerhalb des RWTH-Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“.

In der Lehre bietet das IGMR zusammen mit der International Academy der RWTH Aachen den internationalen Masterstudiengang „Robotic Systems Engineering“ an. Der direkte Kontakt zu den Studierenden in den Lehrveranstaltungen „Robotic Systems“ und „Advanced Robotic Kinematics and Dynamics“ bildet die Grundlage für zahlreiche Abschlussarbeiten die in Forschung und Industrie betreut werden.

 


Modellierung und Steuerung

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Bei der Modellierung und Steuerung von bestehenden Robotersystemen steht das Verständnis des Systemverhaltens und die damit direkt zusammenhängende Verbesserung der technischen Leistungsfähigkeit im Vordergrund. Durch die kinematische und dynamische Analyse sind wir so zum Beispiel in der Lage den Arbeitsraum und das Bewegungs- und insbesondere Schwingungsverhalten zu optimieren. Darüber hinaus ermöglicht die Kalibrierung und Berechnung von Steifigkeits- und Toleranzeinflüssen eine deutlich gesteigerte Genauigkeit für robotische Systeme. Die Kenntnisse des Systemverhaltens finden darüber hinaus zum Beispiel bei dynamischen, modelbasierten Vorsteuermodellen oder der Auslegung und Optimierung der Regelparameter Anwendung.

 


Entwicklung und Validierung

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Individuelle und applikationsspezifische Handhabungssysteme erfordern ein grundlegendes methodisches Vorgehen für die Entwicklung, Auslegung und Validierung der Hardware und Funktionalität. Durch die etablierten Methoden der Strukturauswahl und Maßsynthese in Verbindung mit kinematischer und dynamischer Analyse entwickeln und dimensionieren wir Handhabungssysteme mit spezifischem Eigenschaftenprofil, beispielsweise einer geforderten Pick- und Place-Zeit im aufgabenspezifisch notwendigen Arbeitsraum. Neben der Vorauslegung, Entwicklung und Konstruktion steht dabei auch die Umsetzung von Prüfständen, die Versuchsdurchführung und die messtechnische Validierung der Eigenschaften im Vordergrund.

 


Projekte im Bereich Robotik und Mechatronik

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PENTAPOD: Bewegungsverhalten

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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.

 

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PENTAPOD: Kalibrierung

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Die Einsatzmöglichkeiten eines parallelen Roboters hängen von mehreren charakteristischen Merkmalen ab, zu denen insbesondere die Genauigkeit gehört. Man unterscheidet in diesem Zusammenhang zwischen zwei Kenngrößen: die Wiederholgenauigkeit und die absolute Genauigkeit. Unter Wiederholgenauigkeit werden die auftretenden Positions- und Orientierungsabweichungen bei wiederholtem Anfahren erlernter Lagen verstanden. Die absolute Genauigkeit bezeichnet hingegen den Abstand zwischen der Soll- und Istpose. Letztere ist in der Regel um eine Größenordnung schlechter als die Wiederholgenauigkeit. Die Gründe hierfür liegen in der unzureichenden steuerungsinternen Modellierung des Roboters. Da es sich bei dieser Modellierung um ein Starrkörpermodell handelt sind die Ungenauigkeiten in den geometrischen Parametern aufgrund von Fertigungstoleranzen und Montagefehlern die wesentliche Fehlerquelle. Demnach ist ein Verfahren notwendig um das in der Steuerung hinterlegte kinematische Modell zu korrigieren und die richtigen kinematischen Parameter zu identifizieren. Auf diese Weise wird eine wesentliche Verringerung der Positions- und Orientierungsabweichung erreicht.

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PENTAPOD: Nähanlage

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Die herausragenden Eigenschaften von Parallelstrukturen hängen sehr stark von ihrer Geometrie ab. Ein optimaler und erfolgreicher Einsatz dieser Strukturen ist nur dann möglich, wenn die geometrischen Parametern so festgelegt werden, dass sie möglichst alle Anforderungen der Handhabungsaufgabe erfüllen. Das Volumen des Arbeitsraumes, die Genauigkeit und die Steifigkeit des Werkzeuges spielen hierbei eine sehr große Rolle. Während man bei seriellen Robotern aufeinander folgende Optimierschritte durchführen kann, in denen jeweils bestimmte Gruppen von Parametern behandelt werden, ist diese Vorgehensweise bei Parallelrobotern nicht möglich. Die Forderung nach der Maximierung eines bestimmten Kriteriums, wie z.B. das Volumen des Arbeitsraumes, kann Lösungen ergeben, die aufgrund der geometrischen Zusammenhänge zwischen dem Endeffektor und den Antrieben eine geringe Steifigkeit aufweisen. Klassische Ansätze der Optimierung, die auf der Minimierung einer Zielfunktion basieren sind zur Lösung dieses Optimierungsproblemes nur bedingt geeignet. Das resultierende Ergebnis spiegelt hier vielmehr die Gewichtungen der einzelnen Optimierziele wider und stellt nicht die hinsichtlich den festgelegten Kriterien optimale Lösung dar. Vor allem wird mit dieser Vorgehensweise nicht gewährleistet, dass alle Forderungen eingehalten werden.

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PENTAPOD: Parallelroboter mit dem Freiheitsgrad fünf

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

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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).

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Robot Companion

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Ein Framework zur einfachen Inbetriebnahme von Tracking- und Verfolgungsanwendungen

 

Aktuelle mobile Systeme aus Service- und Sozialrobotik benötigen oft viel Hardware und sind dementsprechend teuer. Dies hindert eine Ausbreitung auf dem Markt. Ein einfaches und leichtes System, mit niedrigen Hardwareanforderungen kann hier Abhilfe schaffen.

 

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KONTAKT


Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik

RWTH Aachen

Eilfschornsteinstraße 18

52062 Aachen

 

Tel.: +49 (0)241 80 95546

Fax:  +49 (0)241 80 92263

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