Modeling and feed-forward control design of flexible multibody systems with environment contact

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Robert Seifried
• Subject Area: Mechanics
• Term: from 2010 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 187619583

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Durch wachsende Anforderungen an Energieeffizienz und höhere Verfahrgeschwindigkeiten gewinnen Maschinen in Leichtbauweise immer mehr an Bedeutung. Dies betrifft sowohl klassische Anwendungen in der Industrie als auch neue Anwendungsfelder im Service- und Medizinbereich. Typische Anwendungen sind sowohl Leichtbauroboter als auch konventionelle Roboter mit großen Arbeitsräumen. Letztere können in zukünftigen Anwendungen bei der Bearbeitung und Montage von Großstrukturen zum Einsatz kommen, wie z.B. in der Luftfahrtproduktionstechnik. Diese Designs bzw. Anwendungen führen dazu, dass sich die Gesamtsteifigkeit der Maschinen deutlich reduziert. Führen diese Maschinen große Arbeitsbewegungen aus, so ist die Modellierung mit der Methode der flexiblen Mehrkörpersysteme notwendig, was zu stark nichtlinearen Modellen führt. Auch wird in vielen praktischen Anwendungen der Kontakt von Maschinen mit der Umgebung immer wichtiger. Um die dabei entstehenden elastischen Verformungen zu kompensieren, ist der Einsatz moderner, modellbasierter Steuerungs- und Regelungskonzepte notwendig. Dabei versprechen Vorsteuerungskonzepte, wie beispielsweise die exakte Modellinversion, ein sehr gutes Führungsverhalten ohne dabei die Stabilität der geregelten Maschine zu beeinflussen. Im Zusammenspiel mit rückführenden Regelungskonzepten lassen sich damit beispielsweise genaue Trajektorienfolgen oder Arbeitspunktwechsel realisieren. In diesem Projekt standen daher die Modellierung, die Modellinversion zum Vorsteuerungsentwurf sowie die Trajektorienregelung flexibler Mehrkörpersysteme mit Umgebungskontakt im Mittelpunkt. Um die Genauigkeit, Effizienz und Implementierbarkeit der entwickelten Konzept zu testen wurden parallel zum Projekt zwei Versuchsstände flexibler Manipulatoren entwickelt und aufgebaut. Hierbei hat sich gezeigt, dass für die Regelung Hardware- und Softwareentwicklung Hand in Hand gehen müssen. Die Experimente haben die Nützlichkeit der entwickelten Modelle, Vorsteuerungen und Regelungen demonstriert. Videos von den Experimenten finden sich unter: https://www.tuhh.de/mum/forschung/forschungsgebiete-und-projekte/regelung-flexibler-mehrkoerpersysteme.html https://ieeexplore.ieee.org/document/8594008/media#media

Publications

• Aspects of Symbolic Formulations in Flexible Multibody Systems. Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 9, Issue 4, 2014, paper ID 041013 pp. 1-8
  Burkhardt, M.; Seifried, R.; Eberhard, P.
  (See online at https://doi.org/10.1115/1.4025897)
• Active Damping Control for an Underactuated Multibody System. PAMM Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, Vol. 15, 2015, pp. 59-60
  Burkhardt, M.; Morlock, M.; Seifried, R.; Eberhard, P.
  (See online at https://doi.org/10.1002/pamm.201510015)
• Experimental Studies of Control Concepts for a Parallel Manipulator with Flexible Links. Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 29, Issue 7, 2015, pp. 2685-2691
  Burkhardt, M.; Seifried, R.; Eberhard, P.
  (See online at https://doi.org/10.1007/s12206-015-0515-1)
• Friction Compensation, Gain Scheduling and Curvature Control for a Flexible Parallel Kinematics Robot. Proceedings of the 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2015), Hamburg, Germany, 2015, pp. 2354-2359
  Morlock, M.; Burkhardt, M.; Seifried, R.
  (See online at https://doi.org/10.1109/IROS.2015.7353695)
• Control Concepts for a Parallel Manipulator with Flexible Links. PAMM Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics Vol. 16, 2016, pp. 819-820
  Morlock, M.; Burkhardt, M.; Seifried, R.
  (See online at https://doi.org/10.1002/pamm.201610398)
• Control of Vibrations for a Parallel Manipulator with Flexible Links - concepts and experimental results. MOVIC & RASD 2016, International Conference, Southampton, England, 2016, pp. 012069-1-12
  Morlock, M.; Burkhardt, M.; Seifried, R.
  (See online at https://doi.org/10.1088/1742-6596/744/1/012069)
• Nonlinear State Estimation for Trajectory Tracking of a Flexible Parallel Manipulator. IFAC World Congress, Toulouse, France, 2017, PaperOnLine 50-1, 2017, pp. 3449-3454
  Morlock, M.; Schröck, C.; Burkhardt, M.; Seifried, R.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2017.08.846)
• Modeling and Trajectory Tracking Control of a New Parallel Flexible Link Robot, Proceedings of 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2018), Madrid, pp. 6484-6489
  Morlock, M.; Meyer, N.; Pick, M.-A; Seifried, R.
  (See online at https://doi.org/10.1109/IROS.2018.8594008)
• Model-Based Feed-Forward Control for Mechatronic Systems with Structural Elasticity. Dissertation, Schriften aus dem Institut für Technische und Numerische Mechanik der Universität Stuttgart, Nr. 59. Aachen: Shaker, 2019
  Burkhardt, M.