Momentum control for crane load stabilization : modeling and sizing of control moment gyroscopes for cranes

Haarhoff, Daniel Augustinus; Brell-Cokcan, Sigrid (Thesis advisor); Schmitt, Robert H. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Die Digitalisierung der Planungs- und Ausführungsphasen der Bauindustrie sowie Fortschritte in der Automatisierungstechnik haben zu einer Renaissance der Baurobotik geführt. Die aktuellen Bemühungen zur Bereitstellung von Robotern für die Ausführung digitaler Baupläne drehen sich entweder um die Anpassung von Industrierobotern für die Baustelle, hochspezialisierte Sonderroboter oder die Digitalisierung bestehender Baumaschinen. Was derzeit fehlt, ist ein Robotikansatz, der den sehr großen Arbeitsraum der Baustelle berücksichtigt. Der Haken eines Krans ist keine stabile Basis für einen Roboter. Bewegungen des Roboters sowie äußere Kräfte führen zu ungewollten Bewegungen und Oszillationen. Der Roboter kann daher keine genauen Bewegungen ausführen. Die Stabilisierung einer Plattform am Haken, um eine brauchbare Basis für Roboter zu schaffen, erfordert das Hinzufügen weiterer Kontrollmöglichkeiten zu dieser Plattform. Drei Ansätze sind bekannt: zusätzliche Seile, Propellervorrichtungen und Vorrichtungen zur Momentensteuerung. In dieser Arbeit wird die Verwendung eines bestimmten Typs von Momentensteuergeräten, so genannter Kontrolmomentgyroskope, untersucht. Diese sind eine etablierte Technologie für die Stabilisierung von Schiffen und die Orientierung von Raumfahrzeugen. Durch die Verkippung eines sich schnell drehenden Rotors orthogonal zu seiner Drehachse sind CMGs in der Lage, durch das Prinzip der gyroskopischen Reaktion Drehmoment zu erzeugen. Dadurch können sie Drehmomente erzeugen ohne sich abstoßen zu müssen und im Gegensatz zu zusaetzlichen Seilen oder Propellern beinflussen sie nicht ihre Umgebung. Die folgende Arbeit entwickelt Bewegungsgleichungen und ein Modell für das Kran-CMG-Roboter-System. Durch eine Reihe von Simulationen wird dieses Modell validiert und verwendet, um die kritischen Wechselwirkungen zwischen den drei Systemen zu verstehen. Die Fähigkeit einer CMG-Plattform, die von einem Roboter erzeugten Drehmomente prädiktiv zu kompensieren und dadurch die Bahngenauigkeit zu verbessern, wird mittels einer Simulation gezeigt. Es wird zudem gezeigt, wie eine solche Plattform dazu beitragen kann, sowohl Haken- als auch Lastschwingungen zu dämpfen. Die Simulationen zeigen nicht nur das Potenzial des Ansatzes, sondern ermöglichen es auch, Dimensionierungsrichtlinien zu entwickeln und kritische Bereiche für die zukünftige Forschung zu identifizieren. Die Arbeit schließt daher mit der Ausarbeitung eines kritischen Pfades, um diesen Ansatz auf die Baustelle zu bringen.