Ein Turmdrehkran.

Grossraumrobotik

Die Großraumrobotikgruppe des ISYS beschäftigt sich mit der Lösung systemdynamischer Problemstellungen im Bereich von Maschinen mit großen Arbeitsräumen. Die anwendungsbezogenen Fragestellungen werden in enger Kooperation mit den jeweiligen Industriepartnern bearbeitet.

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Die Analyse der vorliegenden Systeme und die Entwicklung systemdynamischer Modelle ist Grundbestandteil aller Projekte. Die beschreibenden Systemparameter gilt es zu identifizieren und anschließend die Modelle anhand von Vergleichen zwischen Messdaten und Simulationsergebnissen zu validieren. Darauf aufbauend werden Methoden der Regelungstechnik angewendet, um beispielsweise Automatisierungsfunktionen zu realisieren oder die Effizienz, Präzision, Sicherheit sowie den Komfort zu verbessern. Besonderer Forschungsfokus liegt auf der aktiven Kompensation von Systemschwingungen, die bei großen Strukturen aufgrund von fortschreitendem Leichtbau und steigender Forderung nach Präzision immer anwendungsrelevanter werden.

In diesem Zusammenhang werden verschiedene Theorien der Robotik, wie Systemmodellierung, Trajektoriengenerierung und -folge, modelbasierte Vorsteuerung sowie dezentralisierte Regelung an einem breiten Feld industrieller Anwendungen umgesetzt. Ein großes Themengebiet ist u.a. das geregelte Verfahren eines Werkzeugs (z.B. Kranhaken, Rettungskorb) auf einer vorgegebenen Bahn. Andere Themengebiete beinhalten die Dämpfung von Strukturschwingungen und das Unterdrücken von Pendelbewegungen einer Last am Haken. Hierbei werden Nichtlinearitäten des mechanischen Systems, die Dynamik und Nichtlinearität des hydraulischen Antriebs (weit verbreitet in der Großraumrobotik), strukturelle Flexibilitäten sowie der Berechnungsaufwand und Möglichkeit der Portierung auf echtzeitfähige Hardware berücksichtigt. In Kooperation mit unseren Projektpartnern entwickeln wir Regelungskonzepte von der theoretischen Idee bis hin zur Produkteinführung.

Laufende Forschungsprojekte

  • Regelungsorientierte Modellierung der Dynamik von Turmdrehkranen mit elastischer Stahlstruktur
  • Vorsteuerungs- und Regelungsentwurf zur Pendelstabilisierung unter Berücksichtigung der Strukturdynamik
  • Beobachterkonzepte zur Schätzung von Pendelbewegungen und Strukturverformungen
  • Weitere Informationen
  • Modellierung der elastischen Drehleiter und der eingesetzen Aktuatorik
  • Fusion der Messdaten zur Rekonstruktion von Schwingungsmoden
  • Aktive Dämpfung von Schwingungen durch dezentrale Regelung
  • Vollautomatisierte Trajektorienfolge des Rettungskorbs
  • Weitere Informationen
Feuewehrdrehleiter
Bild eines Teleskopladers von Liebherr
Teleskoplader von Liebherr
  • Modellierung der mechanischen und hydraulischen Komponenten
  • Kopplung der Teilsysteme zur Herleitung der gesamten Systemdynamik
  • Automatisierte Parametrierung bestehender Funktionen basierend auf dem    digitalem Zwilling
  • Geschwindigkeitsregelung der hydraulischen Aktuatoren mit Trajektorien-generierung
  • Entwicklung von Automatisierungsfunktionen und Assistenzsystemen
  • Weitere Informationen
  • Bahnplanung für Turmdrehkrane in virtuellem Umgebungsmodell einer Baustelle
  • Trajektoriengenerierung und hybride Regelung eines Spinnen- und Turmdrehkrans
  • Entwurf eines Turmdrehkrangreifers für automatisierten Lasttransport
  • Weitere Informationen
Aufbau der cyberphysikalischen Plattform
  • Automatisierte Fertigung von Leichtbau-Betonbauteilen (funktionelle Gradierung)
  • Modellierung und Regelung eines Beton-Austragungssystems
  • Trajektoriengenerierung für die Fertigung
  • Erkennung, Planung und Regelung des Greifprozesses der Gradierungselemente (Hohlkugeln, Kugelkörbe)
  • Weitere Informationen
  • Entwicklung einer cyber-physikalischen Konstruktionsplattform zur (teil-) automatisierten Montage von Gebäuden
  • Tool Center Point Regelung für einen hydraulischen Großraummanipulator mit lokalen Sensoren und präzisen Absolutpositionen von einem RTS (robotic total station) Netzwerk
  • Intelligente Teleoperation, tragbares haptisches Interface und Assistenzfunktionen für Kranführer/innen
  • Hybride Regelung von Minikran und Turmdrehkran bzw. von zwei Minikranen
  • Weitere Informationen
  • Kooperative Trajektoriengenerierung für eine heterogene Gruppe von mobilen Manipulatoren im Innenausbau von Bestandsgebäuden
  • Optimierungsbasierte und KI-gestützte Ansätze zur adaptiven dezentralen Trajektoriengenerierung
  • Entwicklung eines absoluten Positioniersystems
  • Erstellung eines digitalen Zwillings
  • SLAM-Ansätze für die Online-Überwachung von Bauabläufen
  • Simulative und experimentelle Validierung für die Errichtung einer Ständerwand 
  • Weitere Informationen

Abgeschlossene Forschungsprojekte

  • Rekonstruktion des Pendelzustandes für Hafenmobilkräne
  • Bahnplanung für Wipp-, Dreh- und Schwenkwerk mit Teach-In-Betrieb zur erleichterten Handhabung von Stück- und Schüttgut
  • Aktive Dämpfung des Lastpendelns
  • Funktionalität über große Typenbandbreite
  • Weitere Informationen
Hafenmobilkräne
  • Erfassung und Prognose der Vertikalbewegung auf Basis von Sensordatenfusion und systemdynamischen Modellen
  • Trajektoriengenerierung unter Berücksichtigung beschränkter Aktuatordynamik
  • Aktive Regelung der Hubwinde zur Kompensation der vertikalen Schiffsbewegung
  • Weitere Informationen
Schiffskran
  • Entwicklung eines servopneumatischen Flugsimulators
  • Modellierung und hochpräzise Regelung der 6-Freiheitsgrade-Bewgungsplattform
  • Motion Cueing Algorithm zur realitätsnahen Nachbildung von Kräften und Beschleunigung für den Simulatorpiloten
  • Weitere Informationen
Servoflight
  • Modellierung des innovativen Personenbeförderungssystems
  • Entwicklung eines Dämpfungskonzept zur Minimierung von Schwingungen in der Kabine
  • Weitere Informationen
  • Bausequenzplannung durch Logic-Geometric Programming
  • Modellbasierte analyse von Bausystemen für die Bewertung von statischen und strukturellen Eigenschaften in der Montage
  • Modellprädiktive Betriebs- und Regelstrategien für roboterbasierte Bauprozesse
  • Weitere Informationen

Studentische Arbeiten

Wir suchen ständig motivierte Studierende, die sich im Rahmen einer Studien-, Diplom-, Bachelor- oder Masterarbeit an einem unserer Projekte beteiligen wollen. Die Aufgabenstellungen liegen dabei typischerweise in den folgenden Bereichen:

  • Verteilt-parametrische und konzentriert-parametrische Modellierung mechanischer und mechatronischer Systeme
  • Methoden der Parameter und Zustandsschätzung
  • Sensorfusion und Signalverarbeitung
  • Methoden der beschränkten und unbeschränkten Optimierung
  • Strategien zur Trajektorienplanung
  • Entwurf und Vergleich von Regelungsstrategien für die untersuchten Systeme unter Berücksichtigung und zur Kompensation von elastischen Deformationen und Schwingungen

Interessierte Studierende wenden sich direkt an die Mitglieder der Großraumrobotikgruppe, um sich persönlich über mögliche Themen zu informieren.

Publikationen der Großraumrobotik-Gruppe

  • B. Müller & O. Sawodny, “Dynamic Multibody Model of a Turntable Ladder Truck Considering Unloaded Outriggers and Sensitivity-based Parameter Identification”, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems , 2024, doi:10.1080/13873954.2024.2361011
  • M. Thomas, T. Englert & O. Sawodny, “Model-based velocity-tracking-control of self-erecting industrial tower cranes”, Control Engineering Practice, 147, pp. 105928, 2024, doi:10.1016/j.conengprac.2024.105928
  • M. Burkhardt, A. Gienger & O. Sawodny, “Optimization-based Multi-Point Trajectory Planning Along Straight Lines for Tower Cranes”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2023, doi:10.1109/TCST.2023.3308762
  • A. P. R. Lauer, E. Benner, T. Stark, S. Klassen, S. Abolhasani, L. Schroth, A. Gienger, H. J. Wagner, V. Schwieger, A. Menges & O. Sawodny, “Automated on-site assembly of timber buildings on the example of a biomimetic shell”, Automation in Construction, 156, pp. 105118, 2023, doi:10.1016/j.autcon.2023.105118
  • A. P. R. Lauer, O. Lerke, B. Blagojevic, V. Schwieger & O. Sawodny, “Tool Center Point Control of a Large-Scale Manipulator Using Absolute Position Feedback”, Control Engineering Practice, 131, pp. 105388, 2023, doi:10.1016/j.conengprac.2022.105388
  • M. Oei & O. Sawodny, “Quaternion attitude and disturbance observer mass estimation with low-cost sensors for industrial vehicles with trailers”, Mechatronics, 93, 2023, doi:10.1016/j.mechatronics.2023.102991
  • S. Densborn & O. Sawodny, “Flexible multibody system modelling of an aerial rescue ladder using Lagrange’s equations”, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, 27, pp. 322-346, 2021, doi:10.1080/13873954.2021.1918175
  • F. Rauscher & O. Sawodny, “Efficient Online Trajectory Planning for Integrator Chain Dynamics using Polynomial Elimination”, IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L), 2021
  • F. Rauscher & O. Sawodny, “Modeling and Control of Tower CranesWith Elastic Structure”, IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY, 2020, doi:10.1109/TCST.2019.2961639
  • A. Renner, H. Wind & O. Sawodny, “Online payload estimation for hydraulically actuated manipulators”, Mechatronics, 2020, doi:10.1016/j.mechatronics.2020.102322
  • J. Wanner & O. Sawodny, “Tool-Center-Point Control of a Concrete PumpUsing Constrained Quadratic Optimization”, IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2020
  • P. Schlott, A. Geise, G. Grabmair, T. Fritzel & O. Sawodny, “A crane-based five-axis manipulator for antenna tests”, Control Engineering Practice, 85, pp. 149-162, 2019, doi:10.1016/j.conengprac.2019.01.014
  • H. Wind, A. Renner, S. Schaut, S. Albrecht & O. Sawodny, “Comparison of Joint Angle, Velocity and Acceleration Estimators for Hydraulically Actuated Manipulators to a Novel Dynamical Approach”, Control Engineering Practice, 91, 2019, doi:10.1016/j.conengprac.2019.104118
  • F. Bender, M. Mitschke, T. Bräunl & O. Sawodny, “Predictive operator modeling for virtual prototyping of hydraulic excavators”, Automation in Construction, 84, pp. 133-145, 2017, doi:10.1016/j.autcon.2017.08.008
  • M. Böhm, M. Krstic, S. Küchler & O. Sawodny, “Modelling and Boundary Control of a Hanging Rope Immersed in Water”, ASME Journal on Dynamic Systems, Measurement and Control (JDSMC), 136, pp. 1-15, 2014, doi:10.1115/1.4024604
  • B. Blagojevic, N. Houriez, A. Gienger & O. Sawodny, “Modeling and Volume Flow Control of a Hydraulic Concrete Piston Pump”, Newcastle upon Tyne, UK, 2024, doi:10.1109/CCTA60707.2024.10666564
  • A. Gienger, C. Stein, A. P.R.Lauer, O. Sawodny & C. Tarin, “Data-based Reachability Analysis and Optimized Robot Positioning for Co-Design of Construction Processes”, IEEE/SICE International Symposium on System Integration, 2024, doi:10.1109/SII58957.2024.10417196
  • A. Hierholz, A. Gienger & O. Sawodny, “Improving Data-based Trajectory Generation by Quadratic Programming for Redundant Mobile Manipulators”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Boston, USA, 2024, doi:10.1109/AIM55361.2024.10636991
  • F. Wolff, “Structural Modeling of a Flexible Reachtruck Mast as a Distributed Parameter System”, SII - International Symposium on System Integration, 2024, pp. 1193-1198, doi:10.1109/SII58957.2024.10417252
  • A. Hierholz, A. Gienger & O. Sawodny, “Cooperative Time-Optimal Trajectory Generation for a Heterogeneous Group of Redundant Mobile Manipulators”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Seattle, USA, 2023, doi:10.1109/AIM46323.2023.10196138
  • A. P. R. Lauer, O. Lerke, A. Gienger, V. Schwieger & O. Sawodny, “State Estimation with Static Displacement Compensation for Large-Scale Manipulators”, SII - International Symposium on System Integration, Atlanta, USA, 2023
  • A. P. R. Lauer, T. Schürmann, A. Gienger & O. Sawodny, “Force-Controlled On-Site Assembly using Pose-Dependent Stiffness of Large-Scale Manipulators”, 19th International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Auckland, Neuseeland, 2023
  • B. Müller, S. Densborn, J. Kübel & O. Sawodny, “Smooth Path Planning for Redundant Large-Scale Robots using Measured Reference Points”, IFAC World Congress, Yokohama, Japan, 2023, doi:10.1016/j.ifacol.2023.10.1586
  • M. Oberdorfer, S. Schroeter & O. Sawodny, “Adaptive feedforward control using a gaussian process and a recursive least squares algorithm for a hydraulic axial piston pump”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Seattle, USA, 2023
  • C. Parlapanis, M. Frontull & O. Sawodny, “Feed-Forward Control of a Construction Vehicle's Hydro-Mechanical Powertrain to Prevent Engine Stalling”, IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC), 2023, doi:10.1109/SMC53992.2023.10394518
  • B. Müller, S. Lang, S. Densborn & O. Sawodny, “State Observer for Position Control of Systems with Quantized Outputs in Large Scale Robotics”, IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC), Prag, 2022, doi:10.1109/SMC53654.2022.9945413
  • B. Müller, B. Rolle & O. Sawodny, “Sensitivity Analysis and Fisher-Information Matrix for a Dynamic Model of a Turntable ladder”, 9th IFAC Symposium on Mechatronic Systems (Mechatronics 2022), Los Angeles, 2022, doi:10.1016/j.ifacol.2022.10.507
  • B. Müller, Y. Yato, Y. Masui, N. Ushiro, O. Sawodny & N. Uchiyama, “Extended State Observer Based Control for a Mechanical Drive System with Unmatched External Disturbance”, IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII), 2022, doi:10.1109/SII52469.2022.9708760
  • C. Parlapanis, D. Müller, M. Frontull & O. Sawodny, “Modelling of the Work Functionality of a Hydraulically Actuated Telescopic Handler”, 10th Vienna International Conference on Mathematical Modelling (MathMod 2022), Vienna, Austria, 2022
  • C. Parlapanis, D. Müller, M. Frontull & O. Sawodny, “Modeling the Driving Dynamics of a Hydraulic Construction Vehicle”, 9th IFAC Symposium on Mechatronic Systems (Mechatronics 2022), Los Angeles, USA, 2022
  • M. Thomas & O. Sawodny, “Flatness-based feedforward and modal model-predictive state-feedback control of a double pendulum bridge crane”, 9th IFAC Symposium on Mechatronic Systems (Mechatronics 2022), Los Angeles, USA, 2022
  • F. Wolff, N. Uchiyama & M. Burkhardt, “Nonlinear Model Predictive Control with Non-Equidistant Discretization Time Grids for Rotary Cranes”, ASCC - Asian Control Conference, 2022, doi:10.23919/ASCC56756.2022.9828180
  • B. Blagojevic, A. Nitsche & O. Sawodny, “Modelling of Transient Incompressible Concrete Mass Flow through a Hose”, Conference on Control Technology and Applications (CCTA), 2021
  • M. Burkhardt & O. Sawodny, “A graph-based path planning algorithm for the control of tower cranes”, American Control Conference (ACC), 2021
  • M. Burkhardt & O. Sawodny, “Towards Modeling and Control of a Crane-Collaboration for the Automated Assembly of Timber Structures”, 47th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), 2021
  • A. P. R. Lauer, B. Blagojevic, O. Lerke, V. Schwieger & O. Sawodny, “Flexible Multibody System Model of a Spider Crane with two Extendable Booms”, 47th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), 2021
  • M. Thomas, J. Qiu & O. Sawodny, “Trajectory sequence generation and static obstacle avoidance for automatic positioning tasks with a tower crane”, 47th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), 2021
  • M. Thomas, T. Werner & O. Sawodny, “Online trajectory generation and feedforward control for manually-driven cranes with input constraints”, Conference on Control Technology and Applications (CCTA), 2021
  • S. Densborn, “Closed-form solutions and analysis of the eigenmodes of Euler-Bernoulli beams with inner pinned support and end mass”, IEEE Conference of Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Boston (virtual), 2020
  • A. P. R. Lauer, N. Uchiyama & O. Sawodny, “Design and Experimental Verification of Two-Dimensional Rate Limiters in Trajectory Generation for Differential Drive Robots”, 1st Virtual IFAC World Congress (IFAC-V 2020), Berlin, Germany (virtual), 2020
  • A. Renner, H. Wind & O. Sawodny, “Loosely Coupled Integrated Navigation System for Excavators”, European Control Conference (ECC), St. Petersburg, Russia, 2020
  • P. Skalecki, S. Laicher, M. Wörner & O. Sawodny, “Observer Design for non-stationary oscillating Disturbances in Mixing Processes”, 21st IFAC World Congress, Berlin, Germany, 2020
  • M. Thomas & O. Sawodny, “A model to control self-erecting tower cranes with elastic structure”, 21st IFAC World Congress, Berlin, 2020
  • J. Wanner, F. Brändle & O. Sawodny, “Trajectory planning with obstacle avoidance for a concrete pump using harmonic potentials”, 21st IFAC World Congress, Berlin, Germany, 2020
  • J. Wanner & O. Sawodny, “Tool-center-point control of a flexible link concrete pump with task space constraints using quadratic programming”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Boston (virtual), 2020
  • H. Wind, A. Renner, F. A. Bender & O. Sawodny, “Trajectory Generation for a Hydraulic Mini Excavator using Nonlinear Model Predictive Control”, IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), Buenos Aires, 2020
  • S. Densborn & O. Sawodny, “Simplified Method for Calculation of the Frequency Spectrum of Time and Value Discretized Signals”, International Conference on Mechatronics (ICM), Ilmenau, 2019, doi:10.1109/ICMECH.2019.8722828
  • S. Densborn & O. Sawodny, “Closed-form solution for the eigenmodes of Euler-Bernoulli beams in Pinned-Pinned-Free configuration”, Conference on Control Technology and Applications (CCTA), Hongkong, 2019
  • A. P. R. Lauer, N. Uchiyama & O. Sawodny, “Online Trajectory Generation for Differential Drive Mobile Robots Using Multi-Dimensional Rate Limiters”, International Electronics Symposium, Surabaya, Indonesia, 2019
  • F. Rauscher & O. Sawodny, “RLS-Based Adaptive Feedforward Control of Ctanes with Double Pendulum Dynamics”, International Conference on Mechatronics, 2019, pp. 91-96, doi:10.1109/ICMECH.2019.8722880
  • J. Wanner & O. Sawodny, “A lumped parameter model of the boom of a mobile concrete pump”, European Control Conference (ECC), Neapel, 2019, doi:10.23919/ECC.2019.8796004
  • J. Wanner & O. Sawodny, “Tool-center-point control of a flexible link concrete pump with hydraulic limitations using quadratic programming”, Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Vancouver, Kanada, 2019
  • H. Wind, L. Jenisch, A. Renner, F. A. Bender & O. Sawodny, “Design of an Adaptive Velocity Controller for a Hydraulic Mini Excavator using a Moving-Horizon-Estimator”, Conference on Control Technology and Applications (CCTA), Hongkong, 2019
  • H. Wind, A. Renner & O. Sawodny, “Time-Optimal Playback Trajectory Generation for Hydraulic Material Handling Excavator”, Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Vancouver, Kanada, 2019
  • S. Densborn, K. Schmidt & O. Sawodny, “Strukturdynamik von punktuell verkoppelten Balken”, GMA FA 1.30, Salzburg, Austria, 2018
  • F. Rauscher, S. Nann & O. Sawodny, “Motion Control of an Overhead Crane using a Wireless Hook Mounted IMU”, American Control Conference (ACC), Milwaukee, USA, 2018
  • F. Rauscher & O. Sawodny, “An Elastic Jib Model for the Slewing Control of Tower Cranes”, IFAC World Congress, Toulouse, France, 2017, doi:10.1016/j.ifacol.2017.08.886
  • J. Missler, T. Ehrl, B. Meier, S. Kaczmarcyk & O. Sawodny, “Modelling of a rope-free Passenger Transportation System for Active Cabin Vibration Damping”, 6th Symposium on Lift and Escalator Technologies, Northampton, United Kingdom, 2016
  • D. Oetinger, K.-L. Knierim & O. Sawodny, “Parameter identification and controller design for high-rack feeder systems and fork lifts”, IEEE International Conference on Automation Science and Engineering (CASE), Fort Worth, TX, USA, 2016, pp. 2161-8089
  • M. Richter, F. Zeil, D. Walser, K. Schneider & O. Sawodny, “Modeling Offshore Ropes for Deepwater Lifting Applications”, IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Banff, Canada, 2016
  • P. Schlott, F. Rauscher & O. Sawodny, “Modelling the structural dynamics of a tower crane”, IEEE Conference of Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Banff, Canada, 2016, doi:10.1109/AIM.2016.7576860

Mitglieder der Großraumrobotik-Gruppe

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