Energie-optimale Trajektorien für seilbasierte Manipulatoren unter Verwendung von passiven Elementen

Die außergewöhnlichen dynamischen Eigenschaften eines Seilroboters, wie z. B. hohe Geschwindigkeiten der Arbeitsplattform über einen großen Arbeitsraum bereitstellen zu können, erfordern große Seilkräfte, die vom Antriebssystem aufgebracht werden müssen. Darüber hinaus muss zu jedem Zeitpunkt eine vollständige Verspannung der Seile garantiert sein, was weiter zu einem erhöhten Energiebedarf beiträgt. Im vorliegenden Beitrag wird eine Methode zur Generierung von Energie-optimalen Trajektorien unter Verwendung von passiven Elementen vorgestellt. Ziel dieser Arbeit ist es, die Parameter der passiven Elemente – bei Federn also Federsteifigkeit und Vorspannung – bezüglich einer vorgegebenen Trajektorie optimal anzupassen. Als ein mögliches Anwendungsszenario werden Pick-&-Place-Aufgaben herangezogen. Die Optimierung der Parameter der passiven Elemente basiert auf einem evolutionären Algorithmus. Hierbei läuft die Optimierung in drei Schritten ab. In einem ersten Schritt werden die Parameter der Federn hinsichtlich eines minimalen Energieverbrauchs optimiert. Im zweiten Schritt erfolgt eine Anpassung der Zykluszeit für eine gegebene Trajektorie. Schlussendlich erfolgt eine Anpassung der Form der Bahnkurve zwischen Startund Endpunkt. Somit werden die Minimierung des Energiebedarfs und eine Reduzierung der Zykluszeit erreicht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Reduzierung des Energiebedarfs des Antriebssystems unter dem Einsatz von vorgespannten Federn und angepassten Bahnkurven, sowie der zugrundeliegenden Zykluszeit für eine gegebene Trajektorie.