Concepts for elastic parallel manipulators for the control of structural vibrations

Im Vordergrund der vorliegenden Arbeit steht die Unterdrückung von Schwingungen in der Roboterstruktur eines elastischen parallelen Manipulators. Um dieses Ziel zu realisieren, soll eine Strukturregelung entwickelt werden, die grundsätzlich über die Kenntnis der Bewegungsgleichungen des zu regelnden Manipulators verfügen muss, da diese Art von Maschinen im Allgemeinen zur Klasse der nichtlinearen Systeme gehört. Deswegen müssen, um die gestellte Aufgabe zu erfüllen, grundsätzlich zwei Hauptprobleme gelöst werden: - Modellierung eines elastischen parallelen Manipulators - Entwurf einer modellbasierten Regelung Parallele Manipulatoren werden in der Literatur und in der Praxis vorwiegend als Starrkörpersysteme behandelt. Die für diese Klasse von Robotern entwickelten Methoden können zumeist nicht ohne arbeitsaufwendige Modifikationen auf die elastischen parallelen Manipulatoren übertragen werden. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieser Arbeit, basierend auf den am häufigsten eingesetzten und hier beschriebenen Standardmethoden, neue Verfahren und Lösungsansätze entwickelt und vorgestellt. Zu diesen neuen Lösungen gehören - eine Methode zur Herleitung der direkten Kinematik, - zwei Methoden zur Bestimmung des Arbeitsraumes, - eine Methode zur Herleitung der Jacobimatrix, - eine Methode zur verteilten Berechnung der direkten Dynamik und - ein modellbasiertes nichtlineares Regelungsverfahren. Die neuen Konzepte werden auf Basis des ebenen elastischen parallelen Manipulators Fünfgelenk analysiert und diskutiert. Durch Simulationen und Experimente werden die hier vorgeschlagenen Lösungen anschließend bestätigt. Anhand der gewonnenen Ergebnisse wird das Potential der neuen Verfahren aufgezeigt, wodurch eine gute Basis für ihre aufgabenorientierte roboterbezogene Weiterentwicklung und Optimierung geschaffen wird.The main aim of this study is the damping of vibration within the structure of an elastic parallel robot. In order to achieve this aim, the control of the manipulator's structure needs to be developed. Basically the equations of motion of the elastic manipulator need to be known for the control strategy, as generally this type of machine belongs to non-linear systems. Therefore, in order to complete this task, two main problems need to be solved: - The modelling of an elastic parallel manipulator - The design of a model-based control Parallel manipulators are mainly treated as rigid-body systems both in theory and in practise. Those methods developed for these types of robots mostly cannot be transfered directly to the elastic parallel manipulators. For this reason in the course of this study, based on the most commonly used standard methods as described here, new techniques and approaches are developed and presented. These new techniques include: - A method for the derivation of direct kinematics - Two methods to determine a manipulator's workspace - A method to derive a Jacobian matrix - A method for the distributed/simultaneous calculation of direct dynamics - A model-based controller algorithm These new concepts are analysed and discussed on the basis of a Five-Bar planar elastic parallel manipulator. Through simulations and experiments, the solutions suggested here, can subsequently be confirmed. Based on the acquired results, the potential of the new techniques will be shown, whereby a good basis for further task- and manipulator-orientated development and optimisation will be achieved