Steuerungs- und Regelungsstrategien zur haptischen Simulation und Synthese von Getrieben

Paris, Jascha Norman; Kecskeméthy, Andrés; Corves, Burkhard

doi:39247

Steuerungs- und Regelungsstrategien zur haptischen Simulation und Synthese von Getrieben = Open and closed loop control strategies for the haptic simulation and synthesis of linkages

Paris, Jascha Norman^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jascha Norman Paris

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (xxi, 201 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Corves, Burkhard (Thesis advisor)^RWTH* ; Kecskeméthy, Andrés (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-03-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-03049
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/785218/files/785218.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik (411910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Echtzeit-Mehrkörpersimulation (frei) ; Getriebesynthese (frei) ; Mensch-Roboter-Interaktion (frei) ; Regelungstechnik (frei) ; haptisches Feedbacksystem (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei der Entwicklung von Produkten, mit denen Nutzer interagieren, stehen neben der technischen Funktion auch die Ergonomie sowie die Gestaltung der Interaktion im Fokus. Treten Anwender in physischen Kontakt mit beweglichen Systemen wie Mechanismen und Getrieben, wird die Nutzererfahrung maßgeblich durch die Kinematik und Dynamik des Produkts bestimmt. Zur Unterstützung der Entwicklung von Getrieben ist es wünschenswert, die Verwendung virtueller Prototypen durch den Einsatz haptischer Feedbacksysteme (HFS) zu ermöglichen. Allerdings ist die Auslegung der Regelung eines HFS aufgrund der Kopplung mit dem Anwender und der Simulation des virtuellen Prototyps anspruchsvoll. Insbesondere der Wunsch nach einer exakten haptischen Abbildung sowie die Limitierungen der hier eingesetzten industriellen Antriebstechnik stellen Herausforderungen dar. In der vorliegenden Arbeit werden daher Steuerungs- und Regelungsstrategien zur haptischen Simulation von Getrieben abgeleitet und umfassend diskutiert. Zunächst lassen sich HFS vor dem Hintergrund des vorliegenden Anwendungsfalls einordnen und klassifizieren. Die Modellierung des virtuellen Prototyps und des verwendeten HFS RePlaLink wird beschrieben. Zusätzlich erfolgt die Identifikation von Anwendermodellen, sodass ein Gesamtmodell des Systems implementiert werden kann. Die vorgestellten Methoden zur Simulation des virtuellen Prototyps erlauben die schnelle und einfache Modifikation desselben während der Verwendung des HFS. Dieser Beitrag stellt eine Steuerungsarchitektur für HFS zur haptischen Simulation von Getrieben vor und evaluiert die Regelung des Antriebs- sowie des Gesamtsystems. Verschiedene Architekturen und Methoden, wie virtuelle Kopplungen oder Passivitätsbeobachter, werden für den vorliegenden Fall angepasst oder weiterentwickelt und hinsichtlich ihrer Stabilität und der Abbildungsqualität verglichen. Ebenfalls wird der Einfluss der Simulation des virtuellen Prototyps auf die Regelung diskutiert. Abschließend wird die Anwendung des Gesamtsystems im Entwicklungsprozess von Getrieben diskutiert. Darüber hinaus werden die Nutzung der haptischen Schnittstelle erweitert und die haptisch-interaktive Getriebesynthese entwickelt. Hierbei kann der Nutzer den virtuellen Prototypen durch das Aufbringen von Kräften während der Nutzung und unabhängig von Kenntnissen der Getriebetechnik modifizieren.

In the development of products with which users interact, the focus is placed not only on the technical function but also on ergonomics, interaction and experience design. As users get into physical contact with dynamic systems such as mechanisms and linkages, the user`s experience is significantly determined by the kinematics and dynamics of the product. In order to support the design and development of mechanisms, it is desirable to enable the application of virtual prototyping using haptic feedback systems (HFS). However, the design and implementation of the control system of an HFS is demanding due to the coupling with the user and the simulation of the virtual prototype. In particular, the need for an accurate haptic representation and the limitations of the applied industrial drive technology pose challenges. In this contribution, control strategies are derived and comprehensively discussed for the haptic simulation of linkages. Firstly, HFS are classified against the background of the present application. Subsequently, the modeling of virtual prototypes and the utilized HFS RePlaLink is described. In addition, models of humans are identified so that an overall model of the system can be implemented. With the presented methods parameter changes and modifications of the virtual prototype can be executed quickly and easily during simulation. This thesis presents a control architecture for HFS for the haptic simulation of linkages and assesses the closed-loop control of the drive system as well as the overall system. Different architectures and methods, such as virtual couplings or passivity observers, are adapted or further improved for the present task and compared with respect to their stability and representation quality. The influence of the simulation of the virtual prototype on the controller is further discussed. Finally, the application of the overall system in the development process of mechanisms is discussed. Moreover, the use of haptic interfaces is extended and the haptic-interactive mechanism synthesis is introduced and developed. Thereby the user can modify the virtual prototype just by applying forces during usage and independent of his knowledge of mechanism theory.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)