Leistungssteigerung von Parallelrobotern basierend auf kinematischer Redundanz

Im Vergleich zu klassischen seriellen Knickarmrobotern verfügen parallelkinematische Maschinen über eine höhere Genauigkeit, Steifigkeit und Dynamik. Demgegenüber stehen Nachteile, wie ihr strukturbedingter Komplexitätsgrad sowie ihre eingeschränkte Bewegungsfreiheit. Parallelroboter besitzen einen vergleichsweise kleinen Arbeitsraum, der durch das Auftreten von Singularitäten zusätzlich beschnitten wird. In singulären Konfigurationen streben die für eine Bewegung in bestimmte Raumrichtungen notwendigen Antriebskräfte und/oder -momente gegen unendlich und der Endeffektor gewinnt einen oder mehrere unkontrollierbare Freiheitsgrade. Im schlimmsten Fall resultiert dies in einer Zerstörung der kinematischen Struktur. Des Weiteren vermindern sich zahlreiche kinematische und dynamische Leistungsmerkmale von Parallelrobotern mit zunehmender Nähe zu singulären Konfigurationen. Der Verlauf von Singularitäten sowie die Verteilung von Leistungsmerkmalen im Arbeitsraum sind stark von der Geometrie eines Mechanismus abhängig. Durch Ergänzung mindestens eines zusätzlichen, angetriebenen Gelenkfreiheitsgrads in einer vorhandenen kinematischen Kette (kinematische Redundanz) können ursprünglich konstante geometrische Parameter variiert werden. Diese Parametervariabilität bietet die Möglichkeit, verschiedene Eigenschaften aufgabenabhängig zu optimieren. Die zentrale Fragestellung, die im Umfang dieser Arbeit beantwortet werden soll, lautet: Welchen Einfluss hat die kinematische Redundanz auf die Singularitätsverläufe und Leistungsmerkmale paralleler Roboter im Arbeitsraum und während Bewegungen entlang kartesischer Bahnvorgaben? Diesbezüglich werden unterschiedliche redundante Abwandlungen bekannter Parallelroboter untersucht. In jedem Fall erfolgt eine Ergänzung von einem oder mehreren redundanten Antrieben in die vorhandene Grundstruktur. Basierend auf einer vergleichenden Analyse verschiedener Arbeitsräume sowie entlang aussagekräftiger Endeffektor-Bahnen werden die Potenziale kinematischer Redundanz quantifiziert. Neben Analyse- und Bewertungsmethodiken, die u. a. die redundanzbedingten Fehlerquellen berücksichtigen, werden hierfür insbesondere Verfahren zur aufgabenoptimalen Bahnplanung parametervariabler Mechanismen entwickelt und an einem planaren Parallelroboter praktisch angewendet.