MapleSim und Maple im Einsatz für Forschungsprojekte am Automation, Robotics and Mechatronics

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Das Automation, Robotics and Mechatronics (ARM) Lab ist ein Forschungslabor der Abteilung Mechanical & Aerospace Engineering in der School of Engineering & Applied Sciences an der State University of New York (SUNY) in Buffalo. Dieses Labor entwickelt die nächste Generation intelligenter mechatronischer Systeme.

Das Tätigkeitsfeld des Labors beinhaltet Projekte zur chirurgischen Simulation haptischer Geräte, Simulationen des Bewegungsapparates zur Verbesserung der Interaktion von Mensch und Maschine sowie Untersuchungen zum kooperativen Lastentransport von Roboter-Kollektiven und zu frei beweglichen Robotern auf Rädern. Einige ihrer Forschungsprojekte resultierten direkt aus der Entwicklung kommerziell verfügbarer Geräte, die von Einrichtungen auf der ganzen Welt zu Ausbildungsund Forschungszwecken eingesetzt werden.

Da die meisten ihrer Projekte mit einer eingehenden Analyse der dem System zu Grunde liegenden Mathematik beginnen, benötigt das ARM Lab Werkzeuge zur Entwicklung und Analyse mathematischer Gleichungen. Sie haben sich deshalb für Maple und MapleSim als zentrale mathematisch-physikalische Modellierungsumgebung entschieden. Dr. Venkat Krovi, Direktor des ARM Lab, sieht in der symbolischen Herangehensweise einen unschätzbaren Vorteil. "Die symbolische Vorgehensweise erlaubt die Entwicklung exakter geschlossener Ausdrücke. Wir brauchen uns deshalb keine Sorgen wegen akkumulierender Fehler in numerischen Berechnungen zu machen. Vielleicht noch wichtiger ist, dass wir dadurch in der Lage sind, Singularitäten zu identifizieren, das Design durch Einführung von Parametern optimieren zu können und die echtzeitfähigen modell-basierten Regelungsstrategien verbessern können."

Eines der Forschungsprojekte des ARM Lab beinhaltete das Studium kinematischer und dynamischer Simulationen von Manipulatoren in Form kugelförmiger Schubgelenke mit sechs Freiheitsgraden (6-P-U-S). Diese Art von Manipulator verbindet eine bewegliche Plattform mit einer festen Basis mittels mehrerer Beine. Dr. Krovi und sein Team analysierten solch einen generellen 6-P-U-S-Manipulator im Rahmen eines Forschungsprojekts. Sie setzten Maple und MapleSim ein, um automatisch die das System bestimmenden Gleichungen zu generieren und eine kinematische Analyse dieser Gleichungen mit Maple durchzuführen. Ausgehend von diesen generierten Gleichungen wurden Spezialfälle untersucht, die spezifische Architekturen mit wünschenswerten Eigenschaften beschreiben – überlegenes strukturelles Design mit einer minimalen Anzahl an Singularitäten innerhalb des Aktionsradius. Danach analysierten sie den Aktionsradius solcher Manipulatoren mit dem primären Ziel, die Verbindungsgeometrie und Parameter zu optimieren, um den maximal erreichbaren Aktionsradius zu vergrößern und weitere ausgewählte geometrische Merkmale zu verbessern.

In Kooperation mit Quanser Consulting Inc., im Design und in der Herstellung hochwertiger Echtzeit-Regelungssysteme tätig, arbeiteten Dr. Krovi und sein Team an dem Prototypen eines angepassten Parallel-Arm-Manipulators, der aus einem Spezialfall der generierten kinematischen Gleichungen heraus entwickelt wurde. Quanser setzte MapleSim auch während der abschließenden Entwicklungsphase zur Modellierung und Simulation ein. Diese Plattform mit sechs Freiheitsgraden der Bewegung, genannt Hexapod, ist nun Teil von Quansers Kollektion mechatronischer Werkzeuge für die Regelungstechnik und wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, zum Beispiel bei Vibrationsanalysen, Erdbeben- und Flugsimulationen. Dr. Krovi setzt den Hexapod nach wie vor für Forschung und Lehre ein. Maple und MapleSim sind mittlerweile zu unentbehrlichen Werkzeugen bei laufenden Forschungsprojekten am ARM Lab geworden.

Weitere Informationen: www.maplesoft.com

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