Modulares Informationsmanagement in der integrierten Produkt- und Prozeßplanung

Die Gewährleistung größtmöglicher Flexibilität in allen Stadien der Entwicklung und Produktion gewinnt angesichts schwieriger Marktbedingungen und sich immer schneller ändernder Kundenbedürfnisse immer mehr an Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wird ein Modellkonzept erstellt, das auf abstrakter Ebene Informationen, Abläufe und funktionale Komponenten innerhalb der Produkt- und Prozeßplanung abbildet. Dieses Modell dient als Grundlage für den Aufbau rechnergestützter Werkzeuge und kann integrativ bis in die Produktion eingesetzt werden. Die im Kapitel 2 aufgezeigten Defizite bestehender Rechnerlösungen zeigen vor allem die Problematik sowohl der Heterogenität als auch der stark unterschiedlichen Sichtweisen der an der Planung beteiligten Personen auf. Eine frühzeitige Berücksichtigung von Realisierungs- und Implementierungsdetails in der Entwicklung dieser Werkzeuge verstärkt die Diversifikation in den Zielsystemen noch mehr. Eine umfassende Betrachtung und Überprüfung der korrekten Abbildung des realen Ausschnittes ist damit nicht mehr möglich. In den letzten Jahren nahm der Einsatz objektorientierter Methoden gerade im Bereich der Programmentwicklung zu. Die Elemente bei der Modellierung von Realitätsabschnitten entsprechen mehr der menschlichen Vorgehensweise im Vergleich zu den rein prozeduralen Sprachen herkömmlicher Softwaresysteme. Gleichzeitig ermöglichen sie die Abbildung komplexer Elemente, die mit Hilfe der modellinhärenten Abstraktion transparent bleiben. Die in Kapitel 3 aufgezeigten Elemente der Planung werden mittels der erwähnten objektorientierten Konstrukte abgebildet und für den Bereich der Produkt- und Prozeßplanung strukturiert. Es wird darauf Wert gelegt, daß eine Entkopplung zwischen Produkt- und Ressourceninformationen stattfindet. Diese informatorische Lücke wird durch ein Modul geschlossen, das in der Lage ist, nach beiden Seiten die jeweiligen Benutzersichten mit den entsprechenden Informationen zur Verfügung zu stellen. Die Beschreibung des Produktes innerhalb des Modells wird in Kapitel 4 aufgezeigt. Durch die Abbildung der Informationen als Objekte, die bei Instanziierung den Planungsfortgang steuern, kann der Produktplaner auf beliebigen Detaillierungsebenen und entsprechend seinem Informationsstand eine neutrale Beschreibung in Form von Produktzustandsübergängen definieren. Die neutrale Abbildung beinhaltet die Aufgaben, die durch die Prozesse innerhalb der Produktion erfüllt werden sollen. Im Gegensatz zu einer statischen Betrachtung, wird in Kapitel 5 zur Anbindung der Ressourcen eine Abbildung der funktionalen Eigenschaften in den Vordergrund gestellt. Ressourcenoperationen können damit als Bestandteil der Zielfunktion der Prozeßplanung direkt ermittelt und überprüft werden. Durch einen flexiblen hierarchischen Aufbau ist darüberhinaus eine beliebige Strukturierung nach verschiedenen technologischen Gesichtspunkten möglich. Die Verknüpfung der beiden beschreibenden Module durch eine neutrale Komponente, die Informationen aus fertigungs- und montagetechnologischen Anforderungen mit funktional operationsorientierten Komponenten verbindet, erfolgt in Kapitel 6. Der Vorteil des Moduls PROZESS ist einerseits die Darstellung der Menge an Technologiemöglichkeiten als Informationsbasis, die dem Produktplaner entsprechend seiner Benutzersicht prozeßorientiertes Wissen zur Verfügung stellt. Andererseits erfolgt durch die Abbildung der Technologien auf ressourcenneutrale Operationen eine Entkopplung von ressourcenbezogenen Randbedingungen, gleichzeitig aber auch die definierte Ausrichtung der Technologielösungen nach unternehmerischen Kriterien (Kosten, Standards usw.) Auf diese Weise verfügt der Prozeßplaner über ein Netzwerk an Lösungen, das ihm auf jeder Detaillierungsstufe die möglichen Alternativen aufzeigt und die gewählte Lösung wiederum in das System integriert. Die in den Kapiteln dargestellten Ausführungen für den Bereich des automatisierten Klebstoffauftrages werden in Kapitel 7 anhand einer beispielhaften Realisierung des Moduls PROZESS präzisiert. Die Ankopplung dieses Moduls an eine reale Montagezelle zeigt den über die Planung hinausgehenden Nutzen des Konzeptes für den Betrieb exemplarisch auf. Das in dieser Arbeit gezeigte Modellkonzept berücksichtigt in umfassender Weise die unterschiedlichen Strukturen und Sichtweisen im Planungsablauf. Bei der Entwicklung rechnergestützter Werkzeuge wird deshalb auf ein übergeordnetes Konzept gesetzt, das die Integration von Daten, Abläufen und Funktionen gewährleistet. Daraus leitet sich ein erhöhter Anspruch an Softwarelösungen ab, die künftig nicht mehr nur konkreten, isoliert betrachteten und spezialisierten Aufgaben genügen dürfen, sondern sich grundsätzlich auf übergeordneter Ebene in ein Gesamtkonzept mit einer dedizierten Funktion einordnen müssen. Die Nutzung eines objektorientierten Ansatzes ermöglicht die Detaillierung in jeder Phase der Entwicklung von Lösungen und stellt gleichzeitig ein besseres Äquivalent für die Abbildung menschlichen Planungsvorgehens dar. "Human Resources” können deshalb in das Modell problemlos eingegliedert werden. Ein Vorteil, der in Zukunft zunehmend an Bedeutung gewinnen wird, um die menschliche Kreativität als Rationalisierungspotential verstärkt nutzen zu können, was bei vorgegebenen, starren Strukturen in weitaus geringerem Maße möglich ist. Die Entwicklungen im Bereich des "Rapid Prototyping” haben in den letzten Jahren bereits zu erheblichen Einsparungen in der Produktentwicklung geführt. Für einen bestimmten Fertigungsprozeß werden rechnergestützte Werkzeuge miteinander gekoppelt und die Prozeßkette wird für einen dedizierten Bereich optimiert. Das Ergebnis der Planung ist ein physisches Modell, das allerdings immer wieder neu erstellt werden muß, sobald eine Änderung am Produkt erfolgt. Gefordert wird heute ein System, das in jedem Stadium der Produktentwicklung Änderungen an Design, Funktionalität, Gestalt, Material usw. erlaubt, ohne daß aufwendige Neuplanungen notwendig sind. Gleichzeitig sollen Wechselwirkungen mit anderen Bereichen in kürzester Zeit dargestelit werden können. Beim "Virtual Prototyping” wird ein Ansatz verfolgt, bei dem vollständig auf physische Modelle in der Planung verzichtet wird und verschiedene rechnergestützte Werkzeuge mit Hilfe eines rechnerinternen Modells verknüpft werden sollen. Das Rationalisierungspotential, das diese Entwicklungsmethodik bietet, läßt sich weiter deutlich erhöhen, wenn sich einzelne Komponenten beliebig austauschen lassen und alle Planungsinstanzen umfassend abgebildet sind. Dabei gilt es, eine Betrachtung weitaus umfassender Strukturen als bisher durchzuführen, diese zu beherrschen und zu koordinieren. Aufgrund der damit verbundenen Integration vielschichtiger, verteilter und heterogener Informationsobjekte (Text, Bild, Ton, Video, Netzwerke usw.) kann die Analyse und Entwicklung solcher Systeme nicht mehr ausschließlich auf datentechnischer Ebene erfolgen, sondern muß künftig auf einem Abstraktionsniveau durchgeführt werden, das dem Anwender alle Informationen in seiner Sichtweise und unabhängig von ihrem Ursprung zur Verfügung stellt. Systeme, die die geforderte Flexibilität bei gleichzeitiger Kontrolle der modularen Strukturen gewährleisten, stützen sich auf ein Informationsmanagement, das auf dem in dieser Arbeit entwickelten Modellkonzept aufbaut. Künftige Lösungen, sei es auf übergreifender Ebene oder nur für Teilbereiche, werden sich deshalb beim Aufbau von rechnergestützten Werkzeugen für die Produkt- und Prozeßplanung an dem hier beschriebenen Ansatz orientieren.Ensuring the greatest possible flexibility in all stages of development and production is becoming increasingly important in view of difficult market conditions and ever faster changing customer needs. In the present work, a model concept is created that depicts information, processes and functional components within the product and process planning on an abstract level. This model serves as the basis for the construction of computer-aided tools and can be used integratively into production. The deficits of existing computer solutions shown in Chapter 2 above all show the problems of both heterogeneity and the very different perspectives of the people involved in the planning. An early consideration of implementation and implementation details in the development of these tools increases the diversification in the target systems even more. A comprehensive consideration and verification of the correct representation of the real section is no longer possible. In recent years, the use of object-oriented methods has increased, particularly in the area of program development. The elements in the modeling of reality sections correspond more closely to the human approach compared to the purely procedural languages of conventional software systems. At the same time, they enable the mapping of complex elements that remain transparent with the help of the inherent abstraction. The planning elements shown in Chapter 3 are mapped using the object-oriented constructs mentioned and structured for the area of product and process planning. It is important that there is a decoupling between product and resource information. This information gap is closed by a module that is able to provide the respective user views with the corresponding information on both sides. The description of the product within the model is shown in Chapter 4. By displaying the information as objects that control the planning process when instantiated, the product planner can define a neutral description in the form of product status transitions at any level of detail and according to his level of information. The neutral figure contains the tasks that should be carried out by the processes within the production. In contrast to a static view, chapter 5 on the connection of resources focuses on the depiction of the functional properties. Resource operations can thus be directly identified and checked as part of the objective function of process planning. Thanks to a flexible hierarchical structure, it is also possible to structure it according to various technological aspects. The combination of the two descriptive modules by means of a neutral component, which combines information from production and assembly technology requirements with functional, operation-oriented components, takes place in Chapter 6. The advantage of the PROCESS module is, on the one hand, the presentation of the amount of technology options as an information base that corresponds to the product planner provides process-oriented knowledge to its user perspective. On the other hand, by mapping the technologies to resource-neutral operations, a decoupling of resource-related boundary conditions takes place, but at the same time the defined orientation of the technology solutions according to entrepreneurial criteria (costs, standards, etc.) In this way, the process planner has a network of solutions that shows the possible alternatives at every level of detail and in turn integrates the selected solution into the system. The explanations given in the chapters for the area of automated adhesive application are specified in Chapter 7 using an exemplary implementation of the PROCESS module. The coupling of this module to a real assembly cell shows the benefits of the concept for operation that go beyond the planning. The model concept shown in this work comprehensively takes into account the different structures and perspectives in the planning process. When developing computer-aided tools, a higher-level concept is therefore used that guarantees the integration of data, processes and functions. This leads to an increased demand for software solutions, which in future will no longer only be able to meet specific, isolated and specialized tasks, but will have to be integrated into an overall concept with a dedicated function at a higher level. The use of an object-oriented approach enables detailing in every phase of the development of solutions and at the same time represents a better equivalent for the mapping of human planning procedures. "Human resources" can therefore be integrated into the model without any problems. An advantage that will become increasingly important in the future will gain in order to be able to use human creativity as a potential for rationalization, which is possible to a much lesser extent with given, rigid structures. The developments in the field of "rapid prototyping" have already led to considerable savings in product development in recent years. Computer-aided tools are coupled with one another for a specific manufacturing process and the process chain is optimized for a dedicated area. The result of the planning is a physical model which, however, has to be created again and again as soon as a change is made to the product. Today, a system is required that allows changes in design, functionality, design, material, etc. at any stage of product development without the need for time-consuming re-planning Interactions with other areas should be shown in a very short time. "Virtual prototyping" follows an approach in which physical models are completely omitted in the planning and various computer-aided tools are linked using an internal computer model should be. The rationalization potential that this development methodology offers can be further increased significantly if individual components can be exchanged as desired and all planning instances are comprehensively mapped. It is important to consider far more extensive structures than before, to master and coordinate them. Due to the associated integration of multi-layered, distributed and heterogeneous information objects (text, image, sound, video, networks, etc.), the analysis and development of such systems can no longer be carried out exclusively at the data technology level, but must in future be carried out at an abstraction level which Provides users with all information in their perspective and regardless of their origin. Systems that guarantee the required flexibility while simultaneously checking the modular structures are based on information management that is based on the model concept developed in this work. Future solutions, whether at a comprehensive level or only for sub-areas, will therefore be based on the approach described here when building computer-aided tools for product and process planning

Konzeption und Wirtschaftlichkeit rechnerintegrierter Planungssysteme

In der vorliegenden Arbeit werden technologische und wirtschaftliche Anforderungen für den Einsatz rechnerintegrierter Planungswerkzeuge im Produktionsbereich dargestellt. Von wesentlicher Bedeutung sind dabei die Wechselwirkungen zwischen Planung und Fertigung einerseits und zwischen technischen und wirtschaftlichen Fragestellungen andererseits. Aufgrund der besonderen Bedingungen wird ein Schwerpunkt auf die Montage und den Einsatz von Industrierobotern als neuer Produktionstechnologie gelegt. In der Montage ergeben sich für die Planung besondere Anforderungen, da im Gegensatz zur Teilefertigung der Gegensatz zwischen manueller Fertigung mit hoher Flexibilität und automatisierter Fertigung mit hoher Produktivität noch nicht überwunden ist. In der Montageplanung wurden bisher aufgrund der unterschiedlichen Fertigungskonzepte getrennte Ansätze für kurzfristige Funktionen wie die Montageplanerstellung oder Zeitermittlung in der manuellen Montage und langfristige Funktionen wie die Geräteauswahl und Layoutplanung in der automatisierten Montage verfolgt. Für Planungssysteme in der Produktion ergibt sich damit die Zielsetzung, einerseits lang- und kurzfristige Funktionen in einem Konzept zu integrieren, andererseits müssen neue Planungsfunktionen wie die NC-Programmierung von Industrierobotern unterstützt werden. Hierzu werden mögliche Integrationsstufen für durchgängige Planungskonzepte dargestellt. Zentraler Bestandteil ist das rechnerinterne Planungsmodell, das während des Planungsprozesses erstellt und genutzt wird. Konzepte, Methoden und Realisierungsansätze graphisch-interaktiver und automatisierter, aufgabenorientierter Verfahrensketten werden erläutert. Zur Kennzeichnung des Integrationsgrades werden Abstraktionsebenen eingeführt, wobei der Übergang zu einer höheren Ebene mit zusätzlichen Modellinformationen und Planungsmechanismen verbunden ist. Die Wirkungen beim Einsatz von Planungssystemen auf die Auftragsabwicklung wird anhand dieser Modellinformationen analysiert. Wesentlich ist hierbei der Zusammenhang zwischen Planungsumfang und Fertigungsflexibilität, die zu diesem Zweck im Hinblick auf die auszuführenden Planungsfunktionen definiert wird. Anhand von zwei Beispielen aus der elektronischen und mechanischen Montage mit hoher und geringer Fertigungsflexibilität werden die Wirkungen der Rechnerintegration auf den Planungs- und Programmierprozeß erläutert. In der starr automatisierten Linienfertigung betrifft dies den umfangreichen Planungsprozeß vor der eigentlichen Produktion. Mit steigender Integration ergibt sich die Möglichkeit, verschiedene Aufgaben simultan durchzuführen, was gegenüber der konventionellen Sukzessivplanung eine größere Planungssicherheit mit kürzeren Planungszeiten und höherer Qualität ergibt. In der flexiblen Fertigung wird der Einfluß der Werkstattsteuerung auf den Planungsprozeß aufgezeigt. Schnelle Umdispositionen erfordern die Bereitstellung maschinenunabhängiger Fertigungsunterlagen und einen verteilten Planungsprozeß auf Planungs- und Steuerungsebene. Am Beispiel einer Sonderbestückzelle wird gezeigt, wie durch steigende Integration die verteilte Planung und Modellbildung möglich ist. Auf der Basis der beschriebenen Ausprägungen und Wirkungen der Integration im Planungsbereich wird im zweiten Teil der Arbeit die Wirtschaftlichkeit rechnergestützter Systeme untersucht. Hierzu wird eine differenzierte Kosten- und Nutzenbetrachtung durchgeführt, da Planungssysteme nicht über direkte Erlöswirkungen bewertet werden können. Für die Bewertung wird ein ablauforientiertes Kostenmodell herangezogen, das die Abbildung von Planungsprozessen ermöglicht, die über geeignete Bezugsgrößen analog zum Fertigungsbereich quantifiziert werden können. Das Kostenmodell wird zur Nutzenbewertung der beschriebenen Planungskonzepte in konkreten Anwendungsfällen herangezogen. Nutzenpotentiale in der Planungs- und Produktionsphase von Fertigungssystemen werden aufgezeigt. Anhand der erzielten Ergebnisse werden die Möglichkeiten einer ganzheitlichen Bewertung kurz- und langfristiger Flexibilitätsstrukturen von Fertigungssystemen aufgezeigt. Alle verfügbaren Kosteninformationen sind im Sinne einer planungsbegleitenden Kalkulation generell in den Planungsprozeß zu integrieren. Die Arbeit zeigt Ansätze für den Einsatz und die Bewertung zukünftiger Planungstechnologien auf. Im Mittelpunkt steht dabei die integrierte Betrachtung von Planungs- und Fertigungsprozessen im Rahmen der Auftragsabwicklung. Diese Sichtweise ermöglicht im Gegensatz zu bisherigen Konzepten auch die Einbindung und Bewertung langfristiger Planungsfunktionen hinsichtlich umfassenderer Flexibilitätsstrukturen in der Produktion. Die Anwendung eines ablauforientierten Kostenmodelles zur Bewertung der Planungstechnologien macht die Notwendigkeit zur Weiterentwicklung bestehender Ansätze deutlich.In this work, technological and economic requirements for the use of computer-integrated planning tools in the production area are presented. The interaction between planning and production on the one hand and between technical and economic issues on the other are of crucial importance. Due to the special conditions, a focus is placed on the assembly and use of industrial robots as new production technology. In assembly, there are special requirements for planning because, in contrast to parts production, the contrast between manual production with high flexibility and automated production with high productivity has not yet been overcome. In assembly planning, separate approaches for short-term functions such as the assembly plan creation or time determination in manual assembly and long-term functions such as device selection and layout planning in automated assembly have been pursued so far due to the different manufacturing concepts. For planning systems in production, this results in the goal of integrating long and short-term functions in one concept, on the other hand, new planning functions such as NC programming by industrial robots must be supported. For this, possible integration levels for integrated planning concepts are presented. The central component is the computer-internal planning model, which is created and used during the planning process. Concepts, methods and implementation approaches of graphically interactive and automated, task-oriented process chains are explained. Abstraction levels are introduced to identify the degree of integration, with the transition to a higher level being associated with additional model information and planning mechanisms. The effects of using planning systems on order processing are analyzed using this model information. What is essential here is the relationship between the scope of planning and manufacturing flexibility, which is defined for this purpose with regard to the planning functions to be carried out. The effects of computer integration on the planning and programming process are explained using two examples from electronic and mechanical assembly with high and low manufacturing flexibility. In rigidly automated line production, this affects the extensive planning process before the actual production. With increasing integration, there is the possibility to carry out different tasks simultaneously, which results in greater planning security with shorter planning times and higher quality compared to conventional successive planning. The influence of workshop control on the planning process is shown in flexible production. Rapid re-planning requires the provision of machine-independent manufacturing documents and a distributed planning process at the planning and control level. Using the example of a special assembly cell, it is shown how distributed planning can be achieved through increasing integration and modelling is possible. On the basis of the characteristics and effects of integration described in the planning area, the economic feasibility of computer-based systems is examined in the second part of the thesis. For this purpose, a differentiated cost and benefit assessment is carried out, since planning systems cannot be assessed via direct revenue effects. A process-oriented cost model is used for the evaluation, which enables the planning processes to be mapped, which can be quantified using suitable reference values analogously to the production area. The cost model is used to evaluate the benefits of the planning concepts described in specific applications. Potential benefits in the planning and production phase of manufacturing systems are shown. Based on the results obtained, the possibilities for a holistic evaluation of short and long-term flexibility structures of manufacturing systems are shown. All available cost information must generally be integrated into the planning process in the context of a calculation that accompanies the planning. The work shows approaches for the use and evaluation of future planning technologies. The focus is on the integrated consideration of planning and manufacturing processes in the context of order processing. In contrast to previous concepts, this view also enables the integration and evaluation of long-term planning functions with regard to more extensive flexibility structures in production. The use of a process-oriented cost model to evaluate the planning technologies makes it clear that there is a need to further develop existing approaches

Entwicklung und Analyse neuer flexibler Fluidaktoren und Realisierung nachgiebiger Leichtbau- Robotersysteme

Mit der Tatsache, dass die Grenzen zwischen Mensch und Maschine immer enger gezogen werden, sind besondere Anforderungen an die Antriebstechnologie und Maschinenkonzeption verbunden. Besonders die sichere Kooperation zwischen Mensch und Roboter fordert von Maschinenseite Nachgiebigkeit und Adaptivität in Verbindung mit geringen beschleunigten Massen. Die vorliegende Arbeit entwickelt das Antriebsprinzip flexibler Fluidaktoren weiter und erschliesst es einem breiten Anwendungsspektrum

Modellierung des Fügewickelprozesses zur Herstellung von leichten Fachwerkstrukturen

Changing ecological awareness and legal conditions lead to an increased use of light- weight components made of fibre composites in industrial applications. Therefore, this thesis focuses on a novel process for joining profiles made of such composite materials. First, fundamental investigations on the process with a winding ring, guided by a vertical articulated robot, were conducted in (Schädel 2014). Based on this study, the aim of this thesis is to model the wound joint and its associated kinematics to increase the flexibility and reproducibility of the process. According to the state of the art, winding for joining hollow profiles differs from existing joining techniques due to its high lightweight potential and design freedom. To fully uti- lize this potential, however, a complete modeling of winding paths as well as the move- ments in the process is necessary. Approaches for this have already been presented, though they mainly refer to the fiber winding with a rotating mandrel and to simple, rotationally symmetrical geometries. In order to compensate the existing deficits and to achieve the goal of modeling the joining process, a modular approach is presented. This consists of single modules for modelling the windings, the methodology for the simulation of mechanical load capacity, the kinematic modelling as well as model validation. First, the variables relevant for the model are identified, with the variance of winding patterns determined by manual wind- ing tests. The friction of the fibers when deposited on the profile surface is investigated as it is an important parameter in the modelling process. Modelling the winding paths requires first a mathematical description of the surfaces for both profiles. On this basis, the winding paths on the longitudinal profile are generated using a stepwise algorithm for non-geodetic curves. These curves are continued tangentially in the transition area between both profiles and modelled on the longitudinal profile using a cubic function. An iterative algorithm optimizes the curve with respect to the maximum slip angle in order to avoid fiber slippage. In addition, the methodology developed for the structure of a FEM simulation allows qualitative statements with material parameters to be deter- mined in the future about the load-bearing capacity of the joint. Modeling the move- ments during the process is based on the geometries of the robot and winding ring. Together with the points of the modelled winding pattern and the geometry parameters of the profiles, the individual joint positions and the rotor position of the winding ring can be determined for each step using inverse kinematics. An iterative algorithm for collision avoidance of the winding ring with the profiles is applied in each calculation step. The winding unit is redesigned and assembled in a prototype with a new drive and bearing concept for the rotor and a self-regulating roving pre-tensioning module. The control commands required for the movements are automatically derived from existing models. Model validation is carried out by experimental winding tests with different pro- files (DoE). The joints are evaluated by a comparison of the position of the individual windings and the nominal positions from the modelling

Automatische Konfiguration der Bewegungssteuerung von Industrierobotern

Robotersteuerungen erfordern sehr lange Entwicklungszeiten und hohe Entwicklungskosten. Die Software wird sehr aufwändig von Hand entwickelt und implementiert. Die automatische, schnelle und zuverlässige Konfiguration der Bewegungssteuerung von beliebigen Robotertypen ist neuartig. Hierfür wurde in dieser Arbeit ein System zur automatisierten Konfiguration komponentenbasierter Software auf Basis einer Beschreibung der mechanischen Struktur und Eigenschaften von Industrierobotern entwickelt

Zur Mechanik vibrationsgetriebener Roboter für terrestrische und aquatische Lokomotion

This thesis discusses the mechanics of mobile robots for terrestrial and aquatic locomotion. Vibration-driven locomotion systems are characterised by an internal periodic excitation, which is transformed to a directed motion due to asymmetric properties of the system. To perform a two-dimensional and controllable locomotion, mechanical properties of robots are investigated dependent on the frequency of the internal excitation. The mechanical description of the robots is done using analytical and numerical methods and supported by experimental studies. The applicability of the results in mobile robots is proved by prototypes.On the basis of mechanical fundamentals, terrestrial and aquatic locomotion principles are discussed and classified. Actuators are reviewed. The purpose is to evaluate the performance as vibration sources for terrestrial and aquatic systems. Piezoelectric bending elements are particular suitable for it. An extensive overview on the state of the art shows the great potential of vibration-driven locomotion systems for miniaturised applications in technics.Systems with bristles can perform unidirectional terrestrial locomotion. Different working principles of bristles are studied based on a rigid body model and experimental investigations. A prototype for the locomotion in tubes is presented. To perform a controllable two-dimensional locomotion with only one actuator, it is needed to overcome the limits of rigid body systems. The applied approach uses the frequency-dependent vibration behaviour of elastic systems, like beams and plates. Models of continuum mechanics and finite element methods are used and supported by experiments. Based on the investigations, a programmable and remote controlled prototype is developed. The locomotion of it can be controlled on different surfaces by a change of the excitation frequency. The velocity of the prototype is up to 100 mm/s and it can support five times its own weight.Concluding, an innovative prototype with a single piezoelectric actuator for a controllable locomotion on flat ground and floating in fluids is developed. The terrestrial and aquatic locomotion behaviour of the robot is investigated. The carrying capacity of it is calculated using a hydrostatic model.Die Mechanik von mobilen Robotern für terrestrische und aquatische Lokomotion ist der Gegenstand der Arbeit. In den untersuchten Systemen wird die periodische Erregung eines inneren Antriebs durch nicht symmetrische Systemeigenschaften in eine gerichtete Fortbewegung gewandelt. Durch die Nutzung des frequenzabhängigen Schwingungsverhaltens von elastischen Systemen, wie Balken oder Platten, werden Systeme realisiert, die durch nur einen Antrieb eine steuerbare zweidimensionale Lokomotion auf festem Untergrund und an der Oberfläche von Flüssigkeiten durchführen können. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der mathematisch-mechanischen Beschreibung der Roboter mittels analytischer und numerischer Methoden sowie ihrer experimentellen Untersuchung. Prototypen mobiler Roboter dienen dem funktionellen Nachweis.Auch im Buchhandel erhältlich: Zur Mechanik vibrationsgetriebener Roboter für terrestrische und aquatische Lokomotion / Felix Becker Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2015. - XIX, 149 S. ISBN 978-3-86360-124-9 URN urn:nbn:de:gbv:ilm1-2015000338 Preis (Druckausgabe): 21,30

Kollisionserkennung für echtzeitfähige Starrkörpersimulationen in der Industrie- und Servicerobotik

Die mechanisch plausible Simulation von Robotern und deren Arbeitsumgebungen ist in der Industrie- und Service-Robotik ein zunehmend wichtiges Werkzeug bei der Entwicklung und Erprobung neuer Hardware und Algorithmen. Ebenso sind Simulationsanwendungen oftmals eine kostengünstige und vielseitig einsetzbare Alternative, sofern die Beschaffung echter Roboter unrentabel ist, oder Hardware und Arbeitsumgebung nur mit großer zeitlicher Verzögerung zur Verfügung stehen würden. Besonders wichtig sind Mechanik-Simulationen für Anwendungsfälle, in denen die direkte mechanische Interaktion von Objekten miteinander beziehungsweise der Arbeitsumgebung selbst im Vordergrund stehen, wie etwa in der Greifplanung oder der Ermittlung kollisionsfreier Bewegungsabläufe. Bei welcher Art von Szenarien der Einsatz von Mechanik-Simulationen sinnvoll ist und inwieweit die Möglichkeiten solcher Simulations-Werkzeuge ein geeigneter Ersatz für eine reale Arbeitsumgebung sein können, hängt sowohl von den technischen Besonderheiten dieser Werkzeuge, als auch von den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsgebiets ab. Die wichtigsten Kriterien sind dabei: Die zur Umsetzung der jeweiligen Aufgabe nötige oder gewünschte geometrische Präzision bei der Modellierung von Objekten in einer Simulation, ie bei der Simulation mechanischem Verhaltens berücksichtigten Eigenschaften und Phänomene (etwa durch die Berücksichtigung von Verformungsarbeit oder tribologischer Eigenschaften), und die Fähigkeit, eine Simulation in oder nahe Echtzeit betreiben zu können (d. h. innerhalb von Laufzeitgrenzen, wie sie auch durch die reale Entsprechung eines simulierten Systems gegeben sind). Die Fähigkeit zum Echtzeit-Betrieb steht dabei in Konflikt mit der geometrischen und mechanischen Präzision einer Simulation. Jedoch ist es gerade die Kombination aus diesen drei Kriterien, die für Szenarien mit einem hohen Anteil mechanischer Interaktion zwischen aktiv durch einen Benutzer gesteuerten Aktorik und einer simulierten Arbeitsumgebung besonders wichtig sind: Im Speziellen gilt das für Simulationssysteme, die zur Steuerung simulierter Roboter-Hardware dieselben Hardware- oder Software-Steuerungen verwenden, die auch für die realen Entsprechungen der betrachteten Systeme verwendet werden. Um einen Betrieb innerhalb sehr kurzer Iterationszeiten gewährleisten zu können, muss eine Mechanik-Simulation zwei Teilaufgaben effizient bewältigen können: Die Überprüfung auf Berührung und Überschneidung zwischen simulierten Objekten in der Kollisionserkennung in komplex strukturierten dreidimensionalen Szenen, und die Gewährleistung einer numerisch stabilen Lösung des zugrundeliegenden Gleichungssystems aus der klassischen Mechanik in der Kollisionsbehandlung. Die Kollisionserkennung erfordert dabei gegenüber der Kollisionsbehandlung ein Vielfaches an Laufzeit-Aufwand, und ist dementsprechend die Komponente einer jeden echtzeitfähigen Mechanik-Simulation mit dem größten Optimierungspotential und -bedarf: Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Kombination existierender Ansätze zur Kollisionserkennung unter weitgehender Vermeidung von deren Nachteilen. Dazu sollen ausgehend von Erfahrungen einer Projektstudie aus der Industrie-Robotik die speziellen Anforderungen an echtzeitfähige Mechanik-Simulationen beim Einsatz in dieser und verwandten Disziplinen hergeleitet und den Möglichkeiten und Einschränkungen existierender Simulations-Lösungen gegenüber gestellt werden. Basierend auf der Analyse existierender Kollisionserkennnungs-Verfahren soll im weiteren Verlauf der Arbeit eine alternative Möglichkeit zur Bewältigung dieser laufzeitaufwendigen Aufgabe auf Basis der Verwendung massiv paralleler Prozessor-Architekturen, wie sie in Form programmierbarer Grafik-Prozessoren (GPUs) kostengünstig zur Verfügung stehen, erarbeitet und umgesetzt werden

Szenenabhängige Online-Adaption von Manipulationssequenzen für einen Serviceroboter

Um in alltäglichen Umgebungen agieren zu können, muss ein Serviceroboter in der Lage sein, seine Handlung zielgerichtet an neue Szenen anzupassen. In dieser Arbeit werden dazu Handlungspläne zur Manipulation durch symbolische Planung erzeugt. Damit diese konsistent mit der realen Umgebung sind, wird aufgrund von sensorischer Wahrnehmung ein symbolisches Modell der Umgebung erzeugt. Dieses erlaubt es dem Roboter, die Effekte einer Aktion, bzw. Aktionsfolge auf seine Umwelt vorherzusagen

Optische Erfassung von Defekten mittels multiskaliger Mess- und Inspektionstechnik

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