Zusammenfassung
Für den sicheren Betrieb von mobilen Großraummanipulatoren wie beispielsweise Autobetonpumpen ist eine bestmögliche Abstützung essentiell. Zurzeit erfolgt diese Aufgabe manuell und hängt damit stark von der Erfahrung und Qualifikation des Bedienpersonals ab. In dieser Arbeit werden für eine Autobetonpumpe auf Basis eines detaillierten mathematischen Modells mögliche optimale Abstützkonfigurationen untersucht. Darauf aufbauend wird eine Regelungsstrategie für die autonome horizontale und vertikale Ausrichtung der Betonpumpe bei gleichzeitig optimaler Standsicherheit entworfen. Die Funktionsweise des vorgestellten Konzepts wird anhand von Simulationsstudien nachgewiesen.
Abstract
The optimal support is essential for the safe operation of mobile large-scale manipulators like mobile concrete pumps. Currently, this is done manually and thus strongly depends on the experience and qualification of the operator. In this paper, optimal support configurations are analysed for a mobile concrete pump based on a detailed mathematical model. A control strategy is designed to autonomously align the manipulator in horizontal and vertical direction while simultaneously ensuring the stability against overturning. The feasibility of the proposed concept is demonstrated by simulation studies.
Funding source: Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft
Award Identifier / Grant number: 86665
Funding statement: Wir danken für die finanzielle Unterstützung seitens der Firma Schwing sowie der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG, Projektnummer 86665.
Über die Autoren
Wolfgang Kemmetmüller ist Associate-Professor am Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik der TU Wien. Die Forschungsgebiete umfassen die physikalisch basierte Modellierung und nichtlineare Regelung von mechatronischen Systemem mit einem Schwerpunkt auf elektrohydraulische und elektromagnetische Aktoren.
Martin Meiringer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik der TU Wien. Seine Forschungsgebiete umfassen die Modellierung, Regelung sowie optimale Bewegungsplanung robotischer Systeme.
Valentin Platzgummer studierte Elektrotechnik der TU Wien und führte seine Diplomarbeit am Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik der TU Wien durch. Seine Interessen beinhalten die Steuerung und Regelung von mechatronischen Systemen.
Andreas Kugi ist Vorstand des Instituts für Automatisierungs- und Regelungstechnik an der TU Wien und Leiter des Centers for Vision, Automation & Control am AIT. Seine Forschungsinteressen liegen im Bereich der Modellierung, Regelung und Optimierung komplexer dynamischer Systeme, des mechatronischen Systementwurfes sowie in der Robotik und Prozessautomatisierung.
Danksagung
Die Autoren danken Dr. Johannes Henikl für die Unterstützung und die wertvollen technischen Diskussionen.
Literatur
1. A.R. Hamid u. a. “Causes of Crane Accidents at Construction Sites in Malaysia”. In: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 220 (2019), S. 12–28. DOI: 10.1088/1755-1315/498/1/012105.Search in Google Scholar
2. J. K. Davidson and G. Schweitzer. “A Mechanics-Based Computer Algorithm for Displaying the Margin of Static Stability in Four-Legged Vehicles”. Journal of Mechanical Design 112.4 (1990), S. 480–487. DOI: 10.1115/1.2912635.Search in Google Scholar
3. D. A. Rey and E. G. Papadoupoulos. “Online Automatic Tipover Prevention for Mobile Manipulators”. In: Proceedings of the 1997 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robot and Systems. Innovative Robotics for Real-World Applications. 1997, S. 1273–1278. DOI: 10.1109/IROS.1997.656414.Search in Google Scholar
4. G. Romanello. “A Graphical Approach for the Determination of Outrigger Loads in Mobile Cranes”. Mechanics Based Design of Structures and Machines (2020), S. 1–14. DOI: 10.1080/15397734.2020.1726184.Search in Google Scholar
5. J. Henikl u. a. “Infinite-Dimensional Decentralized Damping control of Large-Scale Manipulators with Hydraulic Actuation”. Automatica 63 (2016), S. 101–115. DOI: 10.1016/j.automatica.2015.10.024.Search in Google Scholar
6. J. Henikl, W. Kemmetmüller and A. Kugi. “Estimation and Control of the Tool Center Point of a Mobile Concrete Pump”. Automation in Construction 61 (2016), S. 112–123. DOI: 10.1016/j.autcon.2015.10.005.Search in Google Scholar
7. F. Rauscher and O. Sawodny. “Modeling and Control of Tower Cranes With Elastic Structure”. IEEE Trans. on Control Systems Technology 29.1 (2021), S. 64–79. DOI: 10.1109/TCST.2019.2961639.Search in Google Scholar
8. M. Kramer u. a. “Zeitoptimale Regelung des Mastaufbaus einer Autobetonpumpe unter statischen, kinodynamischen und geometrischen Nebenbedingungen”. In: Dritte IFToMM D-A-CH Konferenz 2017. 2017. DOI: 10.17185/duepublico/43387.Search in Google Scholar
9. M. Meiringer, A. Kugi and W. Kemmetmüller. “Time-Optimal Fold Out of Large-Scale Manipulators with Obstacle Avoidance”. IFAC-PapersOnLine 52.16 (2019), S. 114–119. DOI: 10.1016/j.ifacol.2019.11.765.Search in Google Scholar
10. J. Zhang, D. Huang and C. Lu. “Research on Dynamic Model and Control Strategy of Auto-Leveling System for Vehicle-Borne Platform”. In: Proceedings of the 2007 International Conference on Mechatronics and Automation. 2007, S. 973–977. DOI: 10.1109/ICMA.2007.4303679.Search in Google Scholar
11. M. C. Wanner and K. D. Rupp. “Stability of Mobile Manipulators”. In: Proceedings of the 9th ISARC International Symposium on Automation and Robotics in Construction. 1992, S. 787–792.10.22260/ISARC1992/0093Search in Google Scholar
12. C. A. Fiorletta and R. V. Burnes. “Automated Control System for Vehicle Leveling and Elimination of Torsion in a Vehicle Chassis”. Pat. US6768936B2. 2003.Search in Google Scholar
13. M. Neubert. “Flexible Abstützsysteme an Autobetonpumpen – Möglichkeiten und Grenzen im Baustellenbetrieb”. In: Fachtagung Baumaschinetechnik. 2009, S. 227–237.Search in Google Scholar
14. A. Shabana. Dynamics of Multibody Systems. Cambridge: Cambridge University Press, 1998.Search in Google Scholar
15. M. Spong and M. Vidyasagar. Robot Dynamics and Control. New York: John Wiley & Sons, 2009.Search in Google Scholar
16. J. Mareczek. Grundlagen der Roboter-Manipulatoren - Band 1: Modellbildung von Kinematik und Dynamik. Berlin: Springer, 2020.10.1007/978-3-662-52759-7Search in Google Scholar
17. W.D. Pilkey. Analysis and Design of Elastic Beams: Computational Methods. New York: John Wiley & Sons, 2002.10.1002/9780470172667Search in Google Scholar
18. P. Haupt. Continuum Mechanics and Theory of Materials. Berlin: Springer-Verlag, 2002.10.1007/978-3-662-04775-0Search in Google Scholar
19. J.B. Qian u. a. “Modeling and Analysis of Outrigger Reaction Forces of Hydraulic Mobile Crane”. International Journal of Engineering – Transactions B: Applications 30.8 (2017), S. 1246–1252.Search in Google Scholar
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