Damage Prevention After Cable Failure in Redundant Parallel Cable Robots
The goal of this thesis is to increase safety and reliability of redundant cable-driven parallel robots (CDPRs). A CDPR uses a set of computerized winches to move a common platform carrying a robotic tool. Towards industrial application of such robots, e.g. in automated masonry work, potential cases of failure need to be considered. A rare but hazardous fault is the failure of a cable, which is focused in this dissertation.
Initially, it is elaborated how this failure affects a redundant CDPR. Besides a drastic reduction of the workspace, the failure can lead to an uncontrolled platform movement. This may result in a loss of payload or a crash of the platform, potentially causing system or environmental damage and harm to people nearby. To prevent subsequent damage, two new emergency strategies are developed, utilizing the remaining cables of a redundant CDPR to bring the post-failure system into a safe state.
Various emergency strategies for cable failure in CDPRs exist. However, to the authors best knowledge, none of them has been validated on a real spatial redundant CDPR with six degrees of freedom. In addition, most of the known strategies use trajectory planning along pre-defined paths, which might be time critical in case of failure. The two strategies developed, on the opposite, recreate a reflexive behavior that does not require pre-defined trajectories.
The first strategy presented in this work aims at minimizing the systems kinetic energy, which leads the robot into a static force equilibrium pose. It is based on a nonlinear model predictive control forecasting the platform's movement that follows from set-point cable forces. The second strategy presented uses potential fields in the workspace that introduce virtual forces and torques to the platform. While an attractive field guides the platform into a static force equilibrium pose, repulsive fields avoid collisions with obstacles in the workspace. As the required platform wrench might be unfeasible, the so-called Nearest Corner Method is developed to obtain approximated cable force distributions in real-time outside the wrench-feasible workspace. Furthermore, a conventional CDPR controller ignoring the failed cable as well as the usage of motor brakes are considered.
For low-risk testing of the developed strategies, a multibody simulation representing the SEGESTA prototype owned by the Chair of Mechatronics at the University of Duisburg-Essen is set up and a variety of simulations is conducted. Simulation results show that the conventional controller with fault tolerance and the use of motor brakes mainly stabilize the platform only in the post-failure workspace. Conversely, the two proposed emergency strategies can rescue the platform from outside of it in various scenarios while preventing it from crashing. As both methods have many parameter setting options, their influences are carefully elaborated.
Based on the successful simulative assessment of the strategies, a practical examination is conducted with experiments on the SEGESTA prototype. To mimic a cable failure, a mechatronic cable decoupling device is developed and tested based on a requirement analysis. Furthermore, a simple yet effective and reliable failure detection algorithm to determine a cable failure is introduced and tested. Both emergency strategies are subsequently validated in successful rescue scenarios on the SEGESTA prototype. Additionally, the robot operation with a reduced set of cables in the post-failure workspace after successful stabilization is demonstrated.
Finally, practical examples of CDPRs in the construction industry are considered, including large scale 3D-printing of concrete as well as automated masonry work. For both applications, full scale prototypes are realized within the research group during the path of this work. An approach for generating optimal trajectories based on cost functions and penalty terms is further introduced and demonstrated. In a simulated cable failure scenario of a CDPR performing automated masonry work, the emergency strategies are also applied. It is demonstrated that both approaches can prevent the platform from crashing into the already erected building structures. Moreover, a vertical pulley reconfiguration feature is used to extend the capability of the Kinetic Energy Minimization Method. This feature can also recover lost workspace after a cable failure, increasing the operational range of the robot. This allows for more effective operation until the robot is repaired and maintained.
In summary, it can be stated that the developed emergency strategies for damage prevention after cable failure in redundant CDPRs are successfully validated in simulation as well as on a real prototype. Both approaches are not limited to an emergency situation and may also serve for regular CDPR control. Especially their practical validation emphasizes their benefit for upcoming industrial usage of cable-driven parallel robots and empowers the transfer of knowledge from research into practice.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von redundanten parallelen Seilrobotern. Ein Seilroboter nutzt mehrere computergesteuerte Winden, um eine gemeinsame Plattform zu bewegen, die ein Roboterwerkzeug trägt. Im Hinblick auf den industriellen Einsatz solcher Roboter, z. B. beim automatisierten Mauerwerksbau, müssen potenzielle Versagensfälle berücksichtigt werden. Ein seltener aber gefährlicher Fehler ist das Versagen eines Seils. Dieser steht hier im Fokus.
Es wird zunächst herausgearbeitet, wie sich dieser Ausfall auf einen redundanten Seilroboter auswirkt. Neben einer drastischen Reduzierung des Arbeitsraumes kann der Ausfall zu einer unkontrollierten Plattformbewegung führen. Dies kann in einem Verlust der Nutzlast oder einem Absturz der Plattform resultieren und zu Schäden am System, der Umwelt oder Personen in der Nähe führen. Zur Vermeidung von Folgeschäden werden zwei Notfallstrategien entwickelt, welche die verbleibenden Seile eines Seilroboters nutzen, um das System nach einem Seilversagen in einen sicheren Zustand zu bringen.
Es existieren diverse Strategien bei Seilversagen eines Seilroboters. Jedoch wurde nach bestem Wissen des Autors bisher keine davon auf einem realen redundanten Seilroboter mit sechs Freiheitsgraden validiert. Darüber hinaus nutzen die meisten der bekannten Strategien eine Trajektorienplanung entlang vordefinierter Pfade, was im Falle eines Fehlers zeitkritisch sein kann. Die beiden entwickelten Strategien bilden dagegen ein reflexartiges Verhalten nach, welches ohne vordefinierte Trajektorien auskommt.
Die erste in dieser Arbeit präsentierte Strategie zielt darauf ab, die kinetische Energie des Systems zu minimieren, was den Roboter in eine Pose mit statischem Kräftegleichgewicht leitet. Sie basiert auf einer nichtlinearen modellprädiktiven Regelung, welche die Plattformbewegung anhand von gestellten Seilkräften vorhersagt. Die zweite präsentierte Strategie nutzt Potentialfelder im Arbeitsraum, die virtuelle Kräfte und Momente auf die Plattform einprägen. Während ein anziehendes Feld die Plattform in eine Pose mit statischem Kräftegleichgewicht bringt, vermeiden abstoßende Felder Kollisionen mit Hindernissen im Arbeitsraum. Da der benötigte Kraftwinder an der Plattform möglicherweise nicht realisierbar ist, wird die so genannte Nearest-Corner Methode entwickelt, um in Echtzeit approximierte Seilkraftverteilungen außerhalb des Wrench-Feasible Workspace zu erhalten. Weiterhin werden ein konventioneller Seilroboter-Regler, welcher das gerissene Seil ignoriert, sowie die Verwendung von Motorbremsen betrachtet.
Für risikoarme Tests der entwickelten Strategien wird eine Mehrkörpersimulation aufgebaut, welche den SEGESTA-Prototyp des Lehrstuhls für Mechatronik der Universität Duisburg-Essen repräsentiert, und eine Vielzahl von Simulationen wird durchgeführt. Simulationsergebnisse zeigen, dass der konventionelle Regler mit Fehlertoleranz sowie der Einsatz von Motorbremsen die Plattform hauptsächlich nur im Post-Failure Workspace stabilisieren. Die beiden Notfallstrategien allerdings können die Plattform auch von einer Vielzahl außerhalb liegender Posen aus bergen und verhindern einen Absturz. Da beide Methoden viele Parametereinstellmöglichkeiten besitzen, wird deren Einfluss sorgfältig herausgearbeitet.
Basierend auf der erfolgreichen simulativen Bewertung der Strategien wird eine praktische Untersuchung mit Experimenten am SEGESTA-Prototyp durchgeführt. Um ein Seilversagen nachzustellen, wird eine mechatronische Seilentkopplungsvorrichtung auf der Grundlage einer Anforderungsanalyse entwickelt und getestet. Weiterhin wird ein einfacher aber zuverlässiger Fehlerdetektionsalgorithmus zur Ermittlung eines Seilversagens vorgestellt und erprobt. Beide Notfallstrategien werden anschließend in erfolgreichen Rettungsszenarien am SEGESTA-Prototyp validiert. Auch der Betrieb des Seilroboters mit einer reduzierten Seilzahl im Post-Failure Workspace wird nach erfolgreicher Stabilisierung demonstriert.
Abschließend werden praktische Beispiele für Seilroboter im Bauwesen betrachtet, einschließlich des großflächigen 3D-Betondrucks und der automatisierten Errichtung von Mauerwerk. Für beide Anwendungen werden innerhalb der Forschungsgruppe im Verlauf dieser Arbeit Prototypen in Originalgröße realisiert. Ein Ansatz für die Generierung optimaler Trajektorien auf der Grundlage von Kostenfunktionen und Straftermen wird vorgestellt und demonstriert. In einem simulierten Seilrissszenario eines mauernden Seilroboters werden die Notfallstrategien ebenfalls angewendet. Es wird gezeigt, dass beide Ansätze einen Absturz der Plattform in die bereits errichteten Gebäudestrukturen verhindern können. Darüber hinaus wird die Notfallstrategie basierend auf kinetischer Energieminimierung durch eine dynamische vertikale Rekonfiguration der Umlenkrollen erweitert. Diese Funktion kann ebenfalls verlorenen Arbeitsbereich nach einem Seilversagen wiederherstellen, was eine effektivere Weiternutzung ermöglicht, bis der Roboter repariert und gewartet wird.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die entwickelten Notfallstrategien zur Schadensvermeidung nach Seilversagen in redundanten parallelen Seilrobotern sowohl in der Simulation als auch an einem realen Prototyp erfolgreich validiert werden. Beide Ansätze sind nicht auf die Notfallsituation limitiert, sondern können auch zur herkömmlichen Roboterregelung dienen. Insbesondere ihre praktische Validierung unterstreicht ihren Nutzen für den kommenden industriellen Einsatz von parallelen Seilrobotern und stärkt den Wissenstransfer von der Forschung in die Praxis.