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Titelaufnahme

Titel
Aufbau, Modellierung und Regelung einer redundant aktuierten parallelen Testplattform / eingereicht von Kyrill Krajoski
VerfasserKrajoski, Kyrill
Begutachter / BegutachterinMüller, Andreas
ErschienenLinz, 2017
Umfangv, 82 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Masterarbeit, 2017
SpracheDeutsch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)Parallelkinematik / redundant aktuiert / Antriebsredundanz / Modellierung / PKM / RA-PKM / Testplattform / modellbasierte Regelung
Schlagwörter (EN)parallel kinematic machine / modeling / model-based control / redundantly actuated / PKM / RA-PKM / test platform
Schlagwörter (GND)Maschine / Parallelstruktur <Maschinenbau> / Plattform / Prädiktive Regelung / Modellierung
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-14795 Persistent Identifier (URN)
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Aufbau, Modellierung und Regelung einer redundant aktuierten parallelen Testplattform [3.7 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Antriebsredundanz bei parallelkinematischen Maschinen (PKM) kann zur Erhöhung der Genauigkeit, Manipulierbarkeit und Zuverlässigkeit genutzt werden. Viele neuartige Entwürfe und Regelungskonzepte wurden in den letzten Jahrzehnten entwickelt und als Prototypen umgesetzt. Trotz intensiver Forschungsarbeit bleiben noch viele Themengebiete ungeklärt. Das erfordert Testanlagen, die einen exiblen und modularen Aufbau von Prototypen erlaubt. Um in weiterer Folge PKM in Leichtbau Ausführung zu untersuchen, sollte es möglich sein, starre Elemente der kinematischen Kette durch elastische Komponenten zu ersetzen. In dieser Masterarbeit wird eine Testplattform aufgebaut. Die entworfene ebene PKM besitzt 2 Freiheitsgrade (2-DOF). Sie verfügt des weiteren über drei Motoren und ist somit redundant aktuiert. Der Aufbau selbst und die Modularität und Flexibilität des Aufbaus der PKM werden zuerst genauer betrachtet. Danach wird die Kinematik der PKM untersucht. Dabei wird auf die offene kinematische Struktur und auf die geschlossenen kinematischen Ketten näher eingegangen. Die offene kinematische Struktur ist Ausgangspunkt für die dynamische Modellierung. Die mehrmalige Benutzung von gleichen kinematischen Ketten ist oft ein Merkmal parallel kinematischer Strukturen. Sie verbinden das Fundament mit dem Endeffektor. Deshalb wird in dieser Arbeit die Modellierung durch Subsysteme vorgeschlagen. Dies erlaubt einen problemlosen Tausch von verschiedenen mechanischen Modulen (starr vs. exibel). Damit die offene Struktur geschlossen werden kann, ist die Einführung von Zwangskräften erforderlich. Das Resultat ist ein Differential-Algebraisches Gleichungssystem. Diese Art der Bewegungsgleichung ist für die inverse Dynamik ungeeignet. Das Gleichungssystem muss daher in eine geeignetere Form gebracht werden. Dazu werden zwei verschiedene Formulierungen vorgestellt, die Minimalkoordinatenformulierung und die Formulierung in redundanten Koordinaten. Danach wird die inverse Dynamik mit Hilfe der verschiedenen Formulierungen berechnet. Da die inverse Dynamik nicht eindeutig ist, können Kräfte ohne Auswirkung auf die Bewegung aufgebracht werden. Mit dieser Besonderheit ist es möglich untergeordnete Aufgaben zu erfüllen, etwa die Verringerung von Spiel oder die Modulation der Endeffektor Steigkeit. Anschließend werden die verschiedenen modellbasierten Regelungskonzepte in den unterschiedlichen Formulierungen dargestellt, wie etwa die PD Regelung erweitert durch eine Vorsteuerung und der Computed Torque Regler. Zum Schluss werden Simulationsergebnisse und Messergebnisse der Testplattform präsentiert. Die Ergebnisse werden dabei verglichen.

Zusammenfassung (Englisch)

Actuation redundancy is a means to improve the dexterity, accuracy and reliability of parallel manipulators (PKMs). Over the last decades, various novel designs and control concepts have been developed and implemented in functional prototypes. In spite this extensive research several fundamental issues still remain to be addressed. This requires test benches allowing for exible and modular setup of PKM prototypes. Aiming at agile light-weight PKMs, such a test bed should in particular enable to replace rigid by elastic links, and to implement model-based robust control concepts. In this master thesis such an experimental test platform is constructed. The designed PKM is a 2-DOF planar PKM redundantly actuated by three actuators. First its modular and exible mechanical design is shown. Afterwards the kinematics is investigated in detail. Thereby the open kinematic structure and the closed kinematic chain are discussed. The open kinematic structure is used for the dynamical model. Fully parallel manipulators are characterized by repetitive use of identical modules connecting the moving and xed platform. Therefore emphasize is given to the submodeling concept, which allows seamless integration of different modules (rigid vs. exible links). Closing the open structure the insertion of internal forces is vital. The result is a differential algebraic equation. In this form the motion equation is quite useless for inverse dynamics. To convert this equation in a proper form, two formulations are presented, the minimal coordinates formulation and the formulation in redundant coordinates. Afterwards the inverse dynamics are calculated in different formulations. Due to the solution of inverse dynamics is not unique, it is possible to increase the internal forces without dynamical effect. With this feature, it is feasible to handle second level tasks, e.g. annihilate backlash or modulate stiffness. Various model based control concepts are shown in different formulations, the augmented PD control and the computed torque control. Finally simulation results and results of the experimental platform are presented. Thereby a comparison of these results is given.