Robotic Motion Control - IMK Engineering – Ingenieurbüro für Mechatronik und Kybernetik Dr. Bruns

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Forschung & Entwicklung  Robotic Motion Control
Leitlinie und Vorbild (Historisches)
Neben der Lehrtätigkeit, der Feinwerktechnik und der Fahrzeugtechnik bildete die Robotik ein wesentliches Tätigkeitsfeld am Lehrstuhl für Automatisierungstechnik von Prof. Joachim LÜCKEL. Seit der Gründung des Lehrstuhls im Jahre 1978 wurde im Bereich der Robotik an unterschiedlichsten Themen und Fragestellungen geforscht. Dabei sind zum Teil neuartige und revolutionäre Systeme entstanden, wie bspw. das elastische Robotersystem TEMPO [1-4] oder die Parallelkinematik TriPlanar [8,9]. Mitarbeiter des Lehrstuhls sowie dort entwickelte Technologien waren sogar im Rahmen des „ROTEX“ (ROboter Technologie EXperiment) an der „2. Deutschen SpaceLab-Mission D-2“ (1993) beteiligt [5-7]. Die Ergebnisse dieser Tätigkeiten sind nicht zuletzt durch eine Vielzahl von Veröffentlichungen gut dokumentiert und verfügbar. Die Forschungstätigkeiten und Ergebnisse sind geprägt durch dasselbe Mechatronik-Verständnis, das auch zu den Ergebnissen im Bereich der Fahrzeugtechnik (Fahrdynamik-Regelung, Kreuzungsmanagement etc.) führte sowie zu der Entwurfsmethodik „Funktionsorientierter Entwurf mechatronischer Systeme“ (FEMS).
Video 1: Das elastische Robotersystem TEMPO [1-4] (Disclaimer)
Das Robotersystem TEMPO
Das Video 1 zeigt ein Modell des Anfang der 1990er Jahre entwickelten, modular aufgebauten und elastischen Hochleistungs-Roboter TEMPO.
In [*]: „… Käufliche Roboter können für extreme Einsatzbereiche nicht verwendet werden, da die erforderlichen Bahngenauigkeiten entlang einer vorgegebenen Solltrajektorie bei hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen nicht eingehalten werden. Das Robotersystem TEMPO wurde speziell für derartige Anwendungen entwickelt und ist bei vergleichbaren Randbedingungen etwa um den Faktor 8-10 genauer …“
[*] Lückel, Joachim; Wittler, Gerd; Moritz, Wolfgang et al.: Funktionsorientierter Entwurf und Softwarewerkzeuge für mechatronische Systeme am Beispiel eines modularen Robotersystems. Fachtagung CAD '94, Paderborn, 17.-18. März 1994
[1]
Henrichfreise, Hermann: Aktive Schwingungsdämpfung an einem elastischen Knickarmroboter. Dissertation an der Universität-GH Paderborn; Fortschritte der Robotik, Band 1, Vieweg & Sohn, 1989
[2]
Moritz, Wolfgang; Neumann, Rüdiger; Schütte, Herbert: Control of Elastic Robots Using Mechatronic Tools. Harmonic Drive International Symposium 1991, Hotaka, Nagano, Japan, 23.-24. Mai 1991
[3]
Schütte, Herbert; Moritz, Wolfgang; Modelling and Identification of a Six-Axis Manipulator with Elasticities, Based on a Unified Model Description in State Space. 3rd German - Polish Workshop: Dynamical Problems in Mechanical System, Wierzba, Polen, 1993
[4]Lückel, Joachim; Moritz, Wolfgang; Neumann, Rüdiger; Schütte, Herbert; Wittler, Gerd: Development of a Modular Mechatronic Robot System. In: Proceedings of the 2nd Conference on Mechatronics and Robotics, Duisburg/Moers, Germany, September 27-29, 1993
Robotik am IMK
Der FEMS bildet auch am IMK die zentrale Herangehensweise beim Entwurf mechatronischer (und kybernetischer) Systeme. Im Bereich der Robotik bilden die Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten am Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, die durch einige ausgewählte Projekte und Veröffentlichungen auf dieser Seite exemplarisch dargestellt sind, die Leitlinie für unsere eigenen Aktivitäten, so bspw. auch bei der Entwicklung der Informationsverarbeitung für einen „Seilroboter“ (6-Achs-Parallelkinematik). Darüber hinaus verfolgen wir aber auch aktuellste Entwicklungen in der Robotik, insbesondere im Bereich der damit verbundenen nichtlinearen Regelungstechnik, wie sie bspw. in aktuellen Laufmaschinen zum Einsatz kommt. In den Bereichen der (nichtlinearen) Regelungstechnik und der „Künstlichen Intelligenz“ (KI), die immer mehr zusammenwachsen und eine immer größere Schnittmenge bilden, sind aktuell und zukünftig viele Neuerungen zu erwarten, die zu neuen Anwendungen führen werden. Diese Entwicklungen verfolgen wir aufmerksam, um sie für eigene Projekte und zum Vorteil unserer Kunden zu nutzen.
Gegenwart und Zukunft von Regelungstechnik (Control Theory) und Künstlicher Intelligenz (Artificial Intelligence, AI):
Control theory deals with designing devices that act optimally on the basis of feedback from the environment. Initially, the mathematical tools of control theory were quite different from AI, but the fields are coming closer together.
(Stuart Russell; Peter Norvig: Artificial Intelligence, 2010)
Unsere Stärken

Roboter sind typische mechatronische Systeme. Die Entwicklung und Implementierung einer (optimalen) Regelung erfolgt auch hier in den drei Schritten Modellbildung, Regelungssynthese und Implementierung (s. a. Modellbildung & Simulation sowie IT & Regelungstechnik):
Bildung eines physikalisch-mathematischen Modells (Modellbildung)
  • Abbildung der kinematischen Funktionen (Kinematik): Erfassung bzw. mathematische Beschreibung der Bewegungsmöglichkeiten der zugrundeliegenden Mechanik infolge vorhandener Gelenke und ihrer Freiheitsgrade, Bauteilabmessungen etc. Je nach System ist hier auch eine sogenannte „Inverse Kinematik“ gefordert, wie bspw. beim „TriPlanar“ oder bei dem auf dieser Webpräsenz dargestellten „Seilroboter“.
  • Abbildung der dynamischen Funktionen (Kinetik/Dynamik): Auf Basis der Kinematik müssen nun Bewegungsgleichungen zur Beschreibung des Systemverhaltens unter Einwirkung von Kräften und Momenten abgeleitet werden. Dafür sind in der Mechanik verschiedene Formalismen vorhanden, die nach Ihren Entwicklern benannt sind: NEWTON/EULER, LAGRANGE, D’ALEMBERT (Prinzip der virtuellen Arbeit), JOURDAIN (Prinzip der virtuellen Leistung) etc. Jeder Formalismus hat seine Vor- und Nachteile; die Auswahl sollte deshalb systemabhängig bzw. anforderungsspezifisch erfolgen. (Eine „Inverse Kinematik“ erfordert hier auch die Berücksichtigung einer „Inversen Dynamik“!)
Regelungssynthese
Den Begriff „Regelungssynthese“ verstehen wir hier im weiteren Sinne und schließen sämtliche Konstrukte aus dem Feld der Regelungstechnik wie Vorfilter, Vorsteuerungen, Prädiktoren und Beobachter hier ausdrücklich mit ein. Ein Zustandsregler bspw. benötigt den vollständigen Zustandsvektor des zu kontrollierenden Systems. Bei einem mechanischen System entsprechen seine Elemente, die Zustandsgrößen, den sogenannten „verallgemeinerten“ oder auch „generalisierten Koordinaten“, die in der Regel jedoch nicht alle messbar sind; und falls doch, dann nur unter hohem Aufwand. Abhilfe schaffen hier sogenannte Beobachter-Strukturen (Engl. „Observer“; siehe auch Training– CAE-Seminar), bspw. nach LUENBERGER oder KALMAN.
Weitere Punkte bzw. weitere, zu realisierende mechatronische Funktionen:

Die Parallelkinematik TriPlanar
Am Lehrstuhl für Automatisierungstechnik von Prof. Joachim LÜCKEL wurde um das Jahr 2000 herum ein neuer Typ Roboter entwickelt:
Die Parallelkinematik „TriPlanar“ (Video 2); [9]:
„… entwickelte einen neuen mechatronischen Typ Maschine mit dem Namen „TriPlanar“, der für Aufgaben aus der Fertigungs- und Messtechnik geeignet ist. An der dreieckigen Arbeitsplattform sind an jeder Kante über Drehgelenke Beine befestigt, deren untere Spitzen über Kugelgelenke mit drei Planarantrieben verbunden sind. Durch die ebene Bewegung der drei Planarantriebe kann die Arbeitsplattform der Maschine in allen sechs Koordinaten bewegt werden. Die drei Planarantriebe sind als Hybridschrittmotoren ausgeführt, die gleichzeitig und unabhängig voneinander auf einem gemeinsamen Stator bewegt werden können. Mit Hilfe läuferinterner Sensoren ist es möglich, die Antriebe als Servomotoren zu betreiben und somit je zwei orthogonal zueinander stehende Kräfte an jedem Fußpunkt einzuprägen ...
Weitere Videos zum TriPlanar, sowohl zu den Modellen, als auch zu dem realen System, finden Sie unter Modellbildung & Simulation
Die 2. Deutsche SpaceLab-Mission D-2 (STS-55)
STS-55 ist im deutschsprachigen Raum besser bekannt als die zweite Deutsche SpaceLab-Mission D-2, die acht Jahre nach dem ersten Flug (D1 mit STS-61-A) durchgeführt wurde. Trotz der Bezeichnung war der Flug international: Die insgesamt 88 wissenschaftlichen Versuche wurden neben dem DLR von der NASA, der ESA, sowie der französischen und japanischen Raumfahrtbehörde erstellt. Zu den 88 wissenschaftlichen Versuchen gehörte auch das ROTEX.

ROTEX (ROboter Technologie EXperiment)
Im Rahmen des ROTEX gelang es 1993 erstmals, einen Roboter im Weltraum von der Erde aus fernzusteuern. Die Steuerung erfolgte dabei vom Bodenkontrollzentrum der DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) in Oberpfaffenhofen. Eines der wichtigsten erfolgreichen Experimente war das Einfangen eines freischwebenden Würfels. Die Informationsverarbeitung für die Steuerung und Regelung des Robotors wurde überwiegend von Mitarbeitern am Lehrstuhl von Prof. LÜCKEL entwickelt (vgl. [5-7]).
Abstract aus [7]:

[5]
Neumann, Rüdiger; Moritz, Wolfgang: Observer-Based Joint Controller Design of a Robot for Space Operation. In: Proceedings of the 8th CISM-IFToMM Symposium on Theory and Practice of Robot and Manipulation (Ro.man.sy '90), Cracow, Poland, July 2-6, 1990
[6]
Neumann, Rüdiger; Moritz, Wolfgang: Gelenkregelung des ROTEX-Roboters bei der D-2 Spacelab-Mission. GMA Fachtagung Intelligente Steuerung und Regelung von Robotern, Langen, 1993
[7]Neumann, Rüdiger; Moritz, Wolfgang: Robot Path Control with a Decentral Structure. In: Proceedings of the 3rd Conference on Mechatronics and Robotics "From Design Methods to Industrial Applications" (Edited by Joachim Lückel), Universität-GH Paderborn, October 4-6, 1995


Video 2: Die Parallelkinematik „TriPlanar“ [8,9] (Disclaimer)
[8]Kuhlbusch, Walter; Moritz, Wolfgang; Lückel, Joachim; Toepper, Stephanie; Scharfeld, Frank: TRIPLANAR A New Process-Machine Type Developed by Means of the Mechatronic Design. 1999 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM ´99), Atlanta, GA, USA, 1999
[9]Toepper, Stephanie; Kuhlbusch, Walter; Lückel, Joachim; Moritz, Wolfgang: Mechatronischer Entwurf der neuen Maschine TRIPLANAR für hochgenaue Fertigungs- und Messaufgaben. 44th International Scientific Colloquium, Technical University of Ilmenau, Ilmenau, 1999

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Nehmen Sie gerne Kontakt zu uns auf!

Hochkomplexe, nichtlineare Laufmaschinen
Eines der aktuellen Themenfelder der Robotik beschäftigt sich mit der Entwicklung von „Laufmaschinen“ im weitesten Sinne. Sie sind „natürlichen Vorbildern“ (Tier und Mensch) nachempfunden und sollen entsprechend ihrer Vorbilder auch deren Aufgaben übernehmen, bspw. das Transportieren von Lasten (Pferd, Esel $\rightarrow$ 4-beinige Laufmaschinen) oder Tätigkeiten im Bereich des Haushalts oder der Krankenpflege (Mensch $\rightarrow$ 2-beinige Laufmaschinen). Die Anforderungen an die Informationsverarbeitung dieser Systeme sind extrem hoch, da komplexe nichtlineare Systeme zu beherrschen sind. Hier wird das stetige Zusammenwachsen von „Regelungstechnik“ und „Künstlicher Intelligenz“ (KI) am offensichtlichsten.
Sobald „natürliche Vorbilder“ ins Spiel kommen, ist stets auch die Bionik gefragt; im Bereich der Laufmaschinen insbesondere mit ihren Teilgebieten „Biomechanik“ und „Funktionsmorphologie“. Wie die nebenstehenden Videos zeigen („Original“ bzw. Video 3 vs. „Kopie“ bzw. Videos 4 und 5) ist hier durchaus noch Optimierungspotential vorhanden.

Video 3: Das biologische Vorbild ... (Disclaimer)
Video 4: Boston Dynamics – Introducing "Spot" (Disclaimer)
Video 5: Boston Dynamics – Introducing "WildCat" (Disclaimer)
 
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